Ядерный магнитный резонанс

Размещено на http://www.allbest.ru/

Ядерный магнитный резонанс

Ядерный магнитный резонанс - 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 открытия были Ф. Блох и Э. Пёрселл.

Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть много возможностей определять химическое строение веществ, конформации молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения.

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 , связанным с магнитным моментом соотношением , где - постоянная Планка, - 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 и , где - магнитное квантовое число собственного состояния ядра, его значения определяются спиновым квантовым числом ядра то есть ядро может находиться в состояниях.

Так, у протона может находиться только в двух состояниях такое ядро можно представить как магнитный диполь, z-компонента которого может быть ориентирована параллельно либо антипараллельно положительному направлению оси z произвольной системы координат.

Следует отметить, что в отсутствие внешнего магнитного поля все состояния с различными имеют одинаковую энергию, то есть являются вырожденными. Вырождение снимается во внешнем магнитном поле, при этом расщепление относительно вырожденного состояния пропорционально величине внешнего магнитного поля и магнитного момента состояния и для ядра со спиновым квантовым числом I во внешнем магнитном поле появляется система из 2I+1 энергетических уровней то есть ядерный магнитный резонанс имеет ту же природу, что и эффект Зеемана расщепления электронных уровней в магнитном поле.

В простейшем случае для ядра со спином с I = 1/2 - например, для протона, расщепление и разность энергии спиновых состояний .

Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м).

Спектроскопия ядерного магнитного резонанса - спектроскопический метод исследования химических объектов, использующий явление ядерного магнитного резонанса. Наиболее важными для химии и практических применений являются спектроскопия протонного магнитного резонанса (ПМР - спектроскопия), а также спектроскопия ЯМР на ядрах углерода-13 (¹³C ЯМР - спектроскопия), фтора-19 (¹⁹F ЯМР - спектроскопия), фосфора-31 (³¹P ЯМР - спектроскопия).

Подобно инфракрасной спектроскопии, ЯМР выявляет информацию о молекулярном строении химических веществ. Однако, он обеспечивает более полную информацию, чем ИС, позволяя изучать динамические процессы в образце - определять константы скорости химических реакций, величину энергетических барьеров внутримолекулярного вращения. Эти особенности делают ЯМР - спектроскопию удобным средством, как в теоретической органической химии, так и для анализа биологических объектов.

Базовая ЯМР техника

ЯМР образец помещается в тонкостенную стеклянную трубку. Когда ее помещают в магнитное поле, ЯМР активные ядра (такие как ¹H или ¹³C) поглощают электромагнитную энергию. Резонансная частота, энергия абсорбции и интенсивность испущенного сигнала пропорциональны силе магнитного поля. Так в поле в 21 Тесла, протон резонирует при частоте 900 МГц.

Химический сдвиг

Химический сдвиг в ЯМР - параметр, описывающий влияние уровней ядерной магнитной энергии на электронное окружение в молекулах. Химический сдвиг даёт представление о химическом составе молекулы, о её внутреннем строении, динамических процессах внутри системы.

В зависимости от местного электронного окружения, разные протоны в молекуле резонируют на слегка отличающихся частотах. Так как и это смещение частоты и основная резонансная частота прямо пропорциональны силе магнитного поля, то это смещение преобразуется в независимую от магнитного поля безразмерную величину известную как химический сдвиг. Химический сдвиг определяется как относительное изменение относительно некоторых эталонных образцов. Частотный сдвиг экстремально мал в сравнении с основной ЯМР частотой. Типичный сдвиг частоты равен 100 Гц, тогда как базовая ЯМР частота имеет порядок 100 МГц. Таким образом, химический сдвиг часто выражается в частях на миллион (ppm). Для того, чтобы обнаружить такое маленькое различие частоты, приложенное магнитное поле должно быть постоянным внутри объема образца.

Так как химический сдвиг зависит от химического строения вещества, он применяется для получения структурной информации о молекулах в образце. К примеру, спектр для этанола (CH₃CH₂OH) дает 3 отличительных сигнала, то есть 3 химических сдвига: один для группы CH₃, второй для СН₂-группы и последний для OH. Типичный сдвиг для CH₃-группы примерно равен 1 ppm, для CH₂-группы присоединенной к OH-4 ppm и OH примерно 2-3 ppm.

Из-за молекулярного движения при комнатной температуре 3 метиловых протона вылетают в среднем в течение ЯМР процесса, который длится лишь несколько миллисекунд. Эти протоны вырождаются и формируют пики при том же химическом сдвиге. Программное обеспечение позволяет проанализировать размер пиков для того, чтобы понять, как много протонов дает вклад в эти пики.

Спин - спиновое взаимодействие

Наиболее полезную информацию для определения структуры в одномерном ЯМР - спектре даёт так называемое спин-спиновое взаимодействие между активными ЯМР ядрами. Это взаимодействие возникает в результате переходов между различными спиновыми состояниями ядер в химических молекулах, что приводит к расщеплению сигналов ЯМР. Это расщепление может быть простым и сложным и, как следствие, его либо просто интерпретировать, либо оно может запутать экспериментатора.

Это связывание обеспечивает детальную информацию о связях атомов в молекуле.

Взаимодействие второго порядка (сильное)

Простое спин-спиновое взаимодействие предполагает, что константа взаимодействия мала в сравнении с разницей в химических сдвигах между сигналами. Если разность сдвигов уменьшается (или константа взаимодействия увеличивается), интенсивность мультиплетов образцов искажается, становится более сложной для анализа (особенно если система содержит более 2 спинов). Однако в мощных ЯМР - спектрометрах искажения обычно умеренные и это позволяет легко интерпретировать связанные пики.

Эффекты второго порядка уменьшаются с увеличением разницы частоты между мультиплетами, поэтому высокочастотный ЯМР спектр показывает меньшее искажение, чем низкочастотный спектр.

Приложение ЯМР спектроскопии к исследованию белков

Большинство последних инноваций в ЯМР спектроскопии сделаны в так называемой ЯМР спектроскопии белков, которая становится очень важной техникой в современной биологии и медицине. Общей задачей является получение 3-мерной структуры белка в высоком разрешении, подобно изображениям, получаемым в рентгеновской кристаллографии. Из за присутствия большего числа атомов в белковой молекулы в сравнении с простым органическим соединением, базовый ¹D спектр переполнен перекрывающимися сигналами, поэтому прямой анализ спектра становится невозможным. Поэтому были разработаны многомерные техники, чтобы решить эту проблему.

Чтобы улучшить результаты этих экспериментов применяют метод меченых атомов, используя ¹³С или ¹⁵N. Таким образом, становится возможным получить 3D-картину белкового образца, что стало революционным прорывом в современной медицине, позволяя, например, картографировать структуру головного мозга.

Сердцем спектрометра ЯМР является мощный магнит. В эксперименте, впервые осуществленном на практике Пёрселлом, образец, помещенный в стеклянную ампулу диаметром около 5 мм, заключается между полюсами сильного электромагнита. Затем, для улучшения однородности магнитного поля, ампула начинает вращаться, а магнитное поле, действующее на нее, постепенно усиливают. В качестве источника излучения используется радиочастотный генератор высокой добротности. Под действием усиливающегося магнитного поля начинают резонировать ядра, на которые настроен спектрометр. При этом экранированные ядра резонируют на частоте чуть меньшей, чем ядра, лишенные электронных оболочек. Поглощение энергии фиксируется радиочастотным мостом и затем записывается самописцем. Частоту увеличивают до тех пор, пока она не достигнет некого предела, выше которого резонанс невозможен.

Так как идущие от моста токи весьма малы, снятием одного спектра не ограничиваются, а делают несколько десятков проходов. Все полученные сигналы суммируются на итоговом графике, качество которого зависит от отношения сигнал/шум прибора.

В данном методе образец подвергается радиочастотному облучению неизменной частоты, в то время как сила магнитного поля изменяется, поэтому его еще называют методом непрерывного облучения (CW).

Традиционный метод ЯМР - спектроскопии имеет множество недостатков. Во-первых, он требует большого количества времени для построения каждого спектра. Во-вторых, он очень требователен к отсутствию внешних помех, и как правило, получаемые спектры имеют значительные шумы. В-третьих, он непригоден для создания спектрометров высоких частот (300, 400, 500 и более МГц). Поэтому в современных приборах ЯМР используется метод так называемой импульсной спектроскопии (PW), основанной на фурье - преобразованиях полученного сигнала. В настоящее время все ЯМР - спектрометры строятся на основе мощных сверхпроводящих магнитов с постоянной величиной магнитного поля.

В отличие от CW-метода, в импульсном варианте возбуждение ядер осуществляют не «постоянной волной», а с помощью короткого импульса, продолжительностью несколько микросекунд. Амплитуды частотных компонент импульса уменьшаются с увеличением расстояния от н0. Но так как желательно, чтобы все ядра облучались одинаково, необходимо использовать «жесткие импульсы», то есть короткие импульсы большой мощности. Продолжительность импульса выбирают так, чтобы ширина частотной полосы была больше ширины спектра на один-два порядка. Мощность достигает нескольких тысяч ватт.

В результате импульсной спектроскопии получают не обычный спектр с видимыми пиками резонанса, а изображение затухающих резонансных колебаний, в котором смешаны все сигналы от всех резонирующих ядер - так называемый «спад свободной индукции». Для преобразования данного спектра используют математические методы, так называемое фурье - преобразование, по которому любая функция может быть представлена в виде суммы множества гармонических колебаний.

Спектры ЯМР

Для качественного анализа c помощью ЯМР используют анализ спектров, основанный на таких замечательных свойствах данного метода:

· сигналы ядер атомов, входящих в определенные функциональные группы, лежат в строго определенных участках спектра;

· интегральная площадь, ограниченная пиком, строго пропорциональна количеству резонирующих атомов;

· ядра, лежащие через 1-4 связи, способны давать мультиплетные сигналы в результате т. н. расщепления друг на друге.

Положение сигнала в спектрах ЯМР характеризуют химическим сдвигом их относительно эталонного сигнала. В качестве последнего в ЯМР ¹Н и ¹³С применяют тетраметилсилан Si(CH₃)₄ (ТМС). Единицей химического сдвига является миллионная доля (м.д.) частоты прибора. Если принять сигнал ТМС за 0, а смещение сигнала в слабое поле считать положительным химическим сдвигом, то мы получим так называемую шкалу д. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой ф, практически не используемой в настоящее время. Если спектр вещества слишком сложен для интерпретирования, можно воспользоваться квантовохимическими методами расчета констант экранирования и на их основании соотнести сигналы.

Магнитно-резонансная томография

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - томографический метод исследования внутренних органов и тканей с использованием физического явления ядерного магнитного резонанса - метод основан на измерении электромагнитного отклика ядер атомов водорода на возбуждение их определённой комбинацией электромагнитных волн в постоянном магнитном поле высокой напряжённости.

Годом основания магнитно-резонансной томографии принято считать 1973, когда профессор химии Пол Лотербур опубликовал в журнале Nature статью «Создание изображения с помощью индуцированного локального взаимодействия; примеры на основе магнитного резонанса». Позже Питер Мэнсфилд усовершенствовал математические алгоритмы получения изображения.

В действительности же ЯМР - томографию (МРТ) изобрёл в 1960 г. В.А. Иванов, что удостоверено патентом СССР с такой датой приоритета.

Некоторое время существовал термин ЯМР - томография, который был заменён на МРТ в 1986 году в связи с развитием радиофобии у людей после Чернобыльской аварии. В новом термине исчезло упоминание на «ядерность» происхождения метода, что и позволило ему достаточно безболезненно войти в повседневную медицинскую практику, однако и первоначальное название также имеет хождение.

За изобретение метода МРТ в 2003 Питер Мэнсфилд и Пол Лотербур получили Нобелевскую премию в области медицины. В создание магнитно-резонансной томографии известный вклад внёс также Реймонд Дамадьян, один из первых исследователей принципов МРТ, держатель патента на МРТ и создатель первого коммерческого МРТ - сканера.

Томография позволяет визуализировать с высоким качеством головной, спинной мозг и другие внутренние органы. Современные методики МРТ делают возможным без вмешательства исследовать функцию органов - измерять скорость кровотока, тока спинномозговой жидкости, определять уровень диффузии в тканях, видеть активацию коры головного мозга при функционировании органов, за которые отвечает данный участок коры (функциональная МРТ).

Метод ядерного магнитного резонанса

Метод ядерного магнитного резонанса позволяет изучать организм человека на основе насыщенности тканей организма водородом и особенностей их магнитных свойств, связанных с нахождением в окружении разных атомов и молекул. Ядро водорода состоит из одного протона, который имеет магнитный момент (спин) и меняет свою пространственную ориентацию в мощном магнитном поле, а также при воздействии дополнительных полей, называемых градиентными, и внешних радиочастотных импульсов, подаваемых на специфической для протона при данном магнитном поле резонансной частоте. На основе параметров протона (спинов) и их векторном направлении, которые могут находиться только в двух противоположных фазах, а также их привязанности к магнитному моменту протона можно установить, в каких именно тканях находится тот или иной атом водорода.

Если поместить протон во внешнее магнитное поле, то его магнитный момент будет либо сонаправлен, либо противоположно направлен магнитному моменту поля, причём во втором случае его энергия будет выше. При воздействии на исследуемую область электромагнитным излучением определённой частоты, часть протонов поменяют свой магнитный момент на противоположный, а потом вернутся в исходное положение. При этом системой сбора данных томографа регистрируется выделение энергии во время «расслабления», или релаксации предварительно возбужденных протонов.

Первые томографы имели индукцию магнитного поля 0,005 Т, однако качество изображений, полученных на них, было низким. Современные томографы имеют мощные источники сильного магнитного поля. В качестве таких источников применяются как электромагниты (до 9,4 T), так и постоянные магниты (до 0,7 T). При этом, так как поле должно быть весьма сильным, применяются сверхпроводящие электромагниты, работающие в жидком гелии, а постоянные магниты пригодны только очень мощные, неодимовые. Магнитно-резонансный «отклик» тканей в МР - томографах на постоянных магнитах слабее, чем у электромагнитных, поэтому область применения постоянных магнитов ограничена. Однако, постоянные магниты могут быть так называемой «открытой» конфигурации, что позволяет проводить исследования в движении, в положении стоя, а также осуществлять доступ врачей к пациенту во время исследования и проведение манипуляций (диагностических, лечебных) под контролем МРТ - так называемая интервенционная МРТ.

Для определения расположения сигнала в пространстве, помимо постоянного магнита в МР-томографе, которым может быть электромагнит, либо постоянный магнит, используются градиентные катушки, добавляющие к общему однородному магнитному полю градиентное магнитное возмущение. Это обеспечивает локализацию сигнала ядерного магнитного резонанса и точное соотношение исследуемой области и полученных данных. Действие градиента, обеспечивающего выбор среза, обеспечивает селективное возбуждение протонов именно в нужной области. Мощность и скорость действия градиентных усилителей относится к одним из наиболее важных показателей магнитно-резонансного томографа. От них во многом зависит быстродействие, разрешающая способность и соотношение сигнал/шум.

Современные технологии и внедрение компьютерной техники обусловили возникновение такого метода, как виртуальная эндоскопия, который позволяет выполнить трёхмерное моделирование структур, визуализированных посредством КТ или МРТ. Данный метод является информативным при невозможности провести эндоскопическое исследование, например при тяжёлой патологии сердечно-сосудистой и дыхательной систем. Метод виртуальной эндоскопии нашёл применение в ангиологии, онкологии, урологии и других областях медицины.

МР диффузия - метод, позволяющий определять движение внутриклеточных молекул воды в тканях.

Диффузионная тензорная визуализация (ДТВ) - методика магнитно-резонансной томографии, позволяющая оценить диффузию молекул воды вдоль миелиновой оболочки аксонов нервных клеток головного мозга и, таким образом, получить информацию об интеграции структур белого вещества и связях между ними. С помощью методики ДТВ можно создать трехмерную нейронную модель головного мозга. Трехмерная волоконная трактография, представляет собой новую перспективную методику, позволяющую визуализировать пучки нервных волокон, соединяющие различные зоны мозга, связи между аксонами белого вещества головного мозга. МР - трактография позволяет более точно локализовать поражения функционально значимых проводящих путей и улучшить качество диагностики множества врожденных заболеваний. ДТИ также улучшает оценку гипоксическо - ишемического поражения развивающегося головного мозга новорожденных и детей младшей возрастной группы.

Диффузная спектральная томография - метод, основанный на магнитно-резонансной томографии, позволяющий изучать активные нейронные связи. Преимущественное применение при диагностике острого нарушения мозгового кровообращения, по ишемическому типу, в острейшей и острой стадиях.

МР перфузия

Метод позволяющий оценить прохождение крови через ткани организма.

В частности: Прохождение крови через ткани мозга Прохождение крови через ткани печени. Метод позволяет определить степень ишемии головного мозга и других органов.

МР спектроскопия

Магнитно-резонансная спектроскопия (МРС) - метод позволяющий определить биохимические изменения тканей при различных заболеваниях. МР - спектры отражают процессы метаболизма. Нарушения метаболизма возникают, как правило, до клинических проявлений заболевания, поэтому на основе данных МР спектроскопии - можно диагностировать заболевания на более ранних этапах развития.

Функциональная МРТ

Функциональная магнитно-резонансная томография, функциональная МРТ или ФМРТ - разновидность магнитно-резонансной томографии, которая проводится с целью измерения гемодинамических реакций (изменений в токе крови), вызванных нейронной активностью головного или спинного мозга.

Метод ФМРТ используется также для изучения анатомической структуры головного мозга.

ФМРТ позволяет определить активацию определенной области головного мозга во время нормального его функционирования под влиянием различных физических факторов (например, движение тела) и при различных патологических состояниях.

На сегодняшний день это один из самых активно развивающихся видов нейровизуализации. С начала 1990-х годов функциональная МРТ стала доминировать в области визуализации процессов головного мозга из-за своей сравнительно низкой инвазивности, отсутствия воздействия радиации и относительно широкой доступности.

Функциональная МРТ (ФМРТ) - метод картирования коры головного мозга, позволяющий определять индивидуальное местоположение и особенности областей мозга, отвечающих за движение, речь, зрение, память и другие функции, индивидуально для каждого пациента.

Суть метода заключается в том, что при работе определенных отделов мозга кровоток в них усиливается. В процессе проведения ФМРТ больному предлагается выполнение определенных заданий, участки мозга с повышенным кровотоком регистрируются, и их изображение накладывается на обычную МРТ мозга.

Измерение температуры с помощью МРТ

МРТ термометрия - метод, основанный на получение резонанса от протонов в составе молекул воды, и протонов в составе молекул жира исследуемого объекта. Разница резонансных частот - дает информацию об абсолютной температуре тканей. Частота испускаемых радиоволн изменяется с нагреванием или охлаждением исследуемых тканей. Эта методика увеличивает информативность МРТ исследований, и позволяет повысить эффективность лечебных процедур, основанных на селективном нагревании тканей. Локальное нагревание тканей - использоваться в лечении опухолей различного происхождения.

Особенности применения медицинского оборудования в помещениях, где проводится МРТ

Сочетание интенсивного магнитного поля, применяемого при МРТ сканировании, и интенсивного радиочастотного поля, предъявляет экстремальные требования к медицинскому оборудованию, используемому во время исследований. Аппараты ИВЛ, специально сконструированные для применения в МРТ помещениях, имеют ограниченные возможности по высоким потокам и давлению в дыхательных путях, ограничения касаются также и некоторых функциональных возможностей использования ряда современных режимов вентиляции, мониторинга и системы тревожной сигнализации.

Вместе с тем, использование в последнее время аппарата ИВЛ повышает безопасность пациентов во время проведения МРТ. Тяжелые пациенты обеспечиваются респираторной поддержкой, как на этапе транспортировки, так и во время проведения исследования на МРТ. Использование, как в палатах интенсивной терапии, так и во время МРТ, также снижает риск ошибки при переходе с одного типа аппарата ИВЛ на другой, разрешенный для применения при проведении МРТ.

Треугольный символ MR означает, что аппарат ИВЛ разрешён для использования в помещениях для МРТ при следующих условиях:

· МР сканер мощностью 1, 1,5 и 3 Тесла

· Расположение ИВЛ только за пределами линии безопасности:

· для туннельных сканеров 20 мТ (200 gauss)

· для открытых сканеров 10 мТ (100 gauss)

· Соблюдение ограничений по использованию дополнительных аксессуаров

· Использование только разрешенных монтажных решений для МРТ

МР - ангиография

Магнитно-резонансная ангиография (МР - ангиография, МРА) - метод получения изображения кровеносных сосудов при помощи магнитно-резонансного томографа. Исследование проводится на томографах с напряжённостью магнитного поля не менее 1 Т. Метод позволяет оценивать как анатомические, так и функциональные особенности кровотока.

Под воздействием сильного магнитного поля спины протонов ядер водорода изменяют свое положение и располагаются вдоль оси магнитного поля. Воздействие магнитного поля и радиочастотного излучения на протоны не постоянно, с заданными силой, частотой и временем, а протоны после воздействия на них радиочастотного сигнала вновь возвращаются в исходное положение - так называемое «время релаксации» (T1 и T2). Воздействие магнитного поля и радиочастотного импульса на протоны ядер водорода заставляет их вращаться относительно новых осей в течение очень короткого периода времени, что сопровождается выделением и поглощением энергии, формированием своего магнитного поля. Регистрация этих энергетических изменений и является основой МРТ - изображения. Способность подобного смещения зависит от гидрофильности тканей, их химического состава и структуры. Она практически отсутствует в костной ткани и наибольшая в жидкостных структурах. Метод магнитно-резонансной ангиографии позволяет получать изображения сосудов без использования каких-либо рентгеноконтрастных средств, хотя для получения еще более четкого изображения применяются особые контрастные вещества на основе гадолиния.

резонанс магнитный спектроскопия ядерный

Размещено на Allbest.ru