Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) – самый безопасный диагностический метод

Магнитно-резонансная томография

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.

Источник: http://doktorland.ru/magnitnyj_rezonans.html

5 фактов о природе магнитных полей, спектре ядерного магнитного резонанса и применении метода ЯМР в современной химии

Sanofi Pasteur

1. Характеристика магнитного момента ядра

Природа магнитного момента квантовая. Но если попытаться проиллюстрировать ее в более понятном классическом выражении, поведение ядра похоже на поведение маленького вращающегося магнитика. Таким образом, если у нас нет внешнего магнитного поля, то такой магнит может быть ориентирован в любом направлении. Как только мы прикладываем внешнее магнитное поле, то ядро, обладающее магнитным моментом, как любой магнит, начинает чувствовать это магнитное поле, и если его спиновое число равно ½, то появляются два направления его преимущественной ориентации: по направлению и против направления магнитного поля. Эти два состояния различаются по энергии, и ядро, например протон, может переходить из одного состояния в другое. Такое изменение его ориентации относительно внешнего магнитного поля сопровождается поглощением или выделением кванта энергии.

Энергия эта очень мала. Квант энергии лежит в области радиочастотных излучений. И именно эта малость энергии — одно из неприятных свойств метода ядерного магнитного резонанса, поскольку она определяет близость заселенностей нижнего и верхнего уровней. Но тем не менее, если мы посмотрим на ансамбль таких ядер, то есть на вещество, которое мы поместили в магнитное поле, появляется достаточно большое количество магнитных моментов, направленных вниз и вверх, и между ними возникают переходы. Таким образом, мы можем регистрировать эти переходы и измерять свойства, связанные с ними.

2. Свойства магнитного момента ядра

Поскольку квант энергии при переходе с одного уровня на другой зависит только от магнитных свойств исследуемого ядра и от величины внешнего магнитного поля, то так называемая частота магнитной прецессии, или ларморова частота, является фактором этих двух составляющих.

Однако на самом деле магнитное поле, которое окружает то или иное ядро, неравно тому магнитному полю, которое мы приложили к нему, поместив изучаемый объект в магнит нашего спектрометра. Кроме внешнего магнитного поля нужно учесть и локальные магнитные поля, которые наводятся, например, движением электронов вокруг ядер, действием соседних ядер, таких же магнитов, способных индуцировать локальные магнитные поля, и тому подобное. Таким образом, каждое ядро, находящееся в разной части молекулы, имеет совершенно разное эффективное магнитное поле, которое окружает это ядро. В результате мы можем регистрировать не одиночный резонанс, а их набор, то есть спектр ядерного магнитного резонанса.

Относительная резонансная частота выражается, как правило, в миллионных долях по отношению к величине внешнего магнитного поля. Этот параметр является стабильной величиной, не зависящей от значения внешнего магнитного поля, но определяемой электронными свойствами изучаемой молекулы.

Итак, если мы рассматриваем какое-то химическое соединение: в разных положениях находящиеся, например, протоны чувствуют совершенно разное магнитное поле, то таким образом можно идентифицировать, скажем, сигнал протона ароматического остатка, сигнал протона какой-нибудь группы –CH3 и так далее. И сама по себе эта информация чрезвычайно важна со структурной точки зрения.

3. Взаимодействие ядер, обладающих магнитным моментом

Из-за того, что магнитные моменты взаимодействуют друг с другом, появляется еще один пласт информации, которую мы можем извлекать. Это информация, которая связана с взаимодействием двух различных ядер друг с другом. Если, например, одно ядро взаимодействует с другим посредством системы электронов, участвующих в образовании химических связей, то это называется непрямым, или спин-спиновым, взаимодействием. Величины спин-спинового взаимодействия ядер чрезвычайно чувствительны к геометрии молекулы, к ее электронным свойствам, например к электронной плотности, окружающей те или иные ядра. Таким образом, мы можем получить ряд очень важных структурных параметров уже из величины взаимодействия.

Источник: http://postnauka.ru/faq/38785

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 В0, что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B0, 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 B0, и высокий, занятый спинами, направленными против В0. Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ0, 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 = ℏγВ0, 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 В0 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= γВ0/2π.

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 T1, необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T1. В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T2. Оно может быть меньшим или равным T1.

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.

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.

Источник: http://www.syl.ru/article/338521/yadernyiy-magnitnyiy-rezonans-oblasti-primeneniya-yamr

ЯМР для «чайников», или Десять основных фактов о ядерном магнитном резонансе

Алексей Крушельницкий,
доктор физ.-мат. наук, Университет Мартина Лютера (Халле, Германия)
«Троицкий вариант» №9(128), 07 мая 2013 года

    Суть явления

Частота прецессии определяется как свойствами ядра, так и силой магнитного поля: чем сильнее поле, тем выше частота. Затем, если кроме постоянного внешнего магнитного поля на ядро будет воздействовать переменное магнитное поле, то ядро начинает взаимодействовать с этим полем — оно как бы сильнее раскачивает ядро, амплитуда прецессии увеличивается, и ядро поглощает энергию переменного поля. Однако это будет происходить только при условии резонанса, т. е. совпадения частоты прецессии и частоты внешнего переменного поля. Это похоже на классический пример из школьной физики — марширующие по мосту солдаты. Если частота шага совпадает с частотой собственных колебаний моста, то мост раскачивается всё сильнее и сильнее. Экспериментально это явление проявляется в зависимости поглощения переменного поля от его частоты. В момент резонанса поглощение резко возрастает, а простейший спектр магнитного резонанса выглядит вот так:

Первые ЯМР-спектрометры работали именно так, как описано выше — образец помещался в постоянное магнитное поле, и на него непрерывно подавалось радиочастотное излучение. Затем плавно менялась либо частота переменного поля, либо напряженность постоянного магнитного поля. Поглощение энергии переменного поля регистрировалось радиочастотным мостом, сигнал от которого выводился на самописец или осциллограф. Но этот способ регистрации сигнала уже давно не применяется. В современных ЯМР-спектрометрах спектр записывается с помощью импульсов. Магнитные моменты ядер возбуждаются коротким мощным импульсом, после которого регистрируется сигнал, наводимый в РЧ-катушке свободно прецессирующими магнитными моментами. Этот сигнал постепенно спадает к нулю по мере возвращения магнитных моментов в состояние равновесия (этот процесс называется магнитной релаксацией). Спектр ЯМР получается из этого сигнала с помощью Фурье-преобразования. Это стандартная математическая процедура, позволяющая раскладывать любой сигнал на частотные гармоники и таким образом получать частотный спектр этого сигнала. Этот способ записи спектра позволяет значительно понизить уровень шумов и проводить эксперименты намного быстрее.

Один возбуждающий импульс для записи спектра — это самый простейший ЯМР-эксперимент. Однако таких импульсов, разной длительности, амплитуды, с разными задержками между ними и т. п., в эксперименте может быть много, в зависимости от того, какие именно манипуляции исследователю надо провести с системой ядерных магнитных моментов. Тем не менее, практически все эти импульсные последовательности оканчиваются одним и тем же — записью сигнала свободной прецессии с последующим Фурье-преобразованием.

Магнитные взаимодействия в веществе

ЯМР можно наблюдать на разных ядрах, но надо сказать, что далеко не все ядра имеют магнитный момент. Часто бывает так, что некоторые изотопы имеют магнитный момент, а другие изотопы того же самого ядра — нет. Всего существует более сотни изотопов различных химических элементов, имеющих магнитные ядра, однако в исследованиях обычно используется не более 1520 магнитных ядер, всё остальное — экзотика. Для каждого ядра есть свое характерное соотношение магнитного поля и частоты прецессии, называемое гиромагнитным отношением. Для всех ядер эти отношения известны. По ним можно подобрать частоту, на которой при данном магнитном поле будет наблюдаться сигнал от нужных исследователю ядер.

Самые важные для ЯМР ядра — это протоны. Их больше всего в природе, и они имеют очень высокую чувствительность. Для химии и биологии очень важны ядра углерода, азота и кислорода, но с ними ученым не очень повезло: наиболее распространенные изотопы углерода и кислорода, 12 С и 16 О, магнитного момента не имеют, у природного изотопа азота 14 N момент есть, но он по ряду причин для экспериментов очень неудобен. Есть изотопы 13 С, 15 N и 17 О, которые подходят для ЯМР-экспериментов, но их природное содержание очень низкое, а чувствительность очень маленькая по сравнению с протонами. Поэтому часто для ЯМР-исследований готовят специальные изотопно-обогащенные образцы, в которых природный изотоп того или иного ядра замещен на тот, который нужен для экспериментов. В большинстве случаев эта процедура весьма непростая и недешевая, но иногда это единственная возможность получить необходимую информацию.

Электронный парамагнитный и квадрупольный резонанс

Говоря про ЯМР, нельзя не упомянуть о двух других родственных физических явлениях — электронном парамагнитном резонансе (ЭПР) и ядерном квадрупольном резонансе (ЯКР). ЭПР по своей сути подобен ЯМР, разница заключается в том, что резонанс наблюдается на магнитных моментах не атомных ядер, а электронной оболочки атома. ЭПР может наблюдаться только в тех молекулах или химических группах, электронная оболочка которых содержит так называемый неспаренный электрон, тогда оболочка имеет ненулевой магнитный момент. Такие вещества называются парамагнетиками. ЭПР, как и ЯМР, также применяется для исследований различных структурно-динамических свойств веществ на молекулярном уровне, но его область использования существенно уже. Это связано в основном с тем, что большинство молекул, особенно в живой природе, не содержит неспаренных электронов. В некоторых случаях можно использовать так называемый парамагнитный зонд, т. е. химическую группу с неспаренным электроном, которая связывается с исследуемой молекулой. Но такой подход имеет очевидные недостатки, которые ограничивают возможности этого метода. Кроме того, в ЭПР нет такого высокого спектрального разрешения (т. е. возможности отличить в спектре одну линию от другой), как в ЯМР.

Объяснить «на пальцах» природу ЯКР труднее всего. Некоторые ядра обладают так называемым электрическим квадрупольным моментом. Этот момент характеризует отклонение распределения электрического заряда ядра от сферической симметрии. Взаимодействие этого момента с градиентом электрического поля, создаваемого кристаллической структурой вещества, приводит к расщеплению энергетических уровней ядра. В этом случае можно наблюдать резонанс на частоте, соответствующей переходам между этими уровнями. В отличие от ЯМР и ЭПР, для ЯКР не нужно внешнего магнитного поля, поскольку расщепление уровней происходит без него. ЯКР также используется для исследования веществ, но область его применения еще уже, чем у ЭПР.

Преимущества и недостатки ЯМР

ЯМР — самый мощный и информативный метод исследования молекул. Строго говоря, это не один метод, это большое число разнообразных типов экспериментов, т. е. импульсных последовательностей. Хотя все они основаны на явлении ЯМР, но каждый из этих экспериментов предназначен для получения какой-то конкретной специфической информации. Число этих экспериментов измеряется многими десятками, если не сотнями. Теоретически ЯМР может если не всё, то почти всё, что могут все остальные экспериментальные методы исследования структуры и динамики молекул, хотя практически это выполнимо, конечно, далеко не всегда. Одно из основных достоинств ЯМР в том, что, с одной стороны, его природные зонды, т. е. магнитные ядра, распределены по всей молекуле, а с другой стороны, он позволяет отличить эти ядра друг от друга и получать пространственно-селективные данные о свойствах молекулы. Почти все остальные методы дают информацию либо усредненную по всей молекуле, либо только о какой-то одной ее части.

Основных недостатков у ЯМР два. Во-первых, это низкая чувствительность по сравнению с большинством других экспериментальных методов (оптическая спектроскопия, флюоресценция, ЭПР и т. п.). Это приводит к тому, что для усреднения шумов сигнал нужно накапливать долгое время. В некоторых случаях ЯМР-эксперимент может проводиться в течение даже нескольких недель. Во-вторых, это его дороговизна. ЯМР-спектрометры — одни из самых дорогих научных приборов, их стоимость измеряется как минимум сотнями тысяч долларов, а самые дорогие спектрометры стоят несколько миллионов. Далеко не все лаборатории, особенно в России, могут позволить себе иметь такое научное оборудование.

Магниты для ЯМР-спектрометров

Нобелевские премии в области магнитного резонанса

В первой половине XX века было присуждено несколько Нобелевских премий ученым, без работ которых открытие ЯМР не могло бы состояться. Среди них можно назвать Петера Зеемана, Отто Штерна, Исидора Раби, Вольфганга Паули. Но непосредственно связанных с ЯМР Нобелевских премий было четыре. В 1952 году премию получили Феликс Блох и Эдвард Парселл за открытие ЯМР. Это единственная «ЯМР-ная» Нобелевская премия по физике. В 1991 году премию по химии получил швейцарец Ричард Эрнст, работавший в знаменитой Швейцарской высшей технической школе в Цюрихе. Он был удостоен ее за развитие методов многомерной ЯМР-спектроскопии, которые позволили кардинально увеличить информативность ЯМР-экспериментов. В 2002 году лауреатом премии, также по химии, стал Курт Вютрих, работавший с Эрнстом в соседних зданиях в той же Технической школе. Он получил премию за разработку методов определения трехмерной структуры белков в растворе. До этого единственным методом, позволяющим определять пространственную конформацию больших биомакромолекул, был только рентгеноструктурный анализ. Наконец, в 2003 году премию по медицине за изобретение ЯМР-томографии получили американец Поль Лаутербур и англичанин Петер Мансфилд. Советский первооткрыватель ЭПР Е. К. Завойский Нобелевской премии, увы, не получил.

Источник: http://elementy.ru/nauchno-populyarnaya_biblioteka/431987/YaMR_dlya_chaynikov_ili_Desyat_osnovnykh_faktov_o_yadernom_magnitnom_rezonanse

Ядерно-магнитный резонанс (ЯМР) – самый безопасный диагностический метод

В 1946 г. Felix Block и Edward Purcell впервые продемонстрировали принцип ядерно-магнитного резонанса, и за это открытие в 1952 г. им совместно была присуждена Нобелевская премия по физике. Аппарат для проведения исследования состоит из главной магнитной системы, комплектов градиентных магнитных катушек и радиочастотных катушек, единого блока питания, фильтров и коммуникационного оборудования, приспособлений для укладки больного, а также компенсирующие устройства и принадлежности.

Главное (статическое) магнитное поле генерируется одним из магнитов, постоянным, резистивным или сверхпроводящим.

а) Применение ядерного-магнитного резонанса (ЯМР). Электромагнитные сигналы приходят от обследуемого объекта, образуясь на основе феномена ядерно-магнитного резонанса в статическом магнитном поле, градиентных и радиочастных магнитных полях. Компьютеры суммируют получаемую информацию и выдают изображение, спектр или локальные резонансные данные. Здесь находят применение различные способы построения изображения и протоколы обработки регистрируемых спектроскопических параметров.

б) Клиника вредного влияния МРТ (магнитно-резонансной томографии, ЯМР). Вредное влияние на здоровье человека могут оказывать следующие факторы:
1. Действие статического магнитного поля на все тело человека или на его часть.
2. Изменяющиеся во времени магнитные поля.
3. Та энергия радиочастотного магнитного поля, которая поглощается тканями.
4. Сильный акустический шум.
5. Действие лазерного излучения.
6. Риск электрического и механического воздействия.
7. Недостаточное качество изображения или спектральных данных, следствием чего может быть меньшая информативность результатов для клиники.

Статические магнитные поля. Статическое магнитное поле, создаваемое главным магнитом, задает резонансную радиочастоту для ядер тех тканей, которые представляют наибольший интерес для исследователя. Действие на все тело или только на область головы магнитных полей напряженностью до 2 тесла в течение 1 ч или менее не может оказать никакого вредного влияния.

Изменяющееся во времени. Изменяющееся во времени магнитное поле (dB/dt) возникает в момент перемены магнитных градиентов, используемых для определения локализации в пространстве получаемых ядерно-магнитных резонансных сигналов. Тысячи больных уже прошли через воздействие таких изменяющихся во времени магнитных полей ограниченной напряженности без отрицательных последствий.

Радиочастотное магнитное поле. Радиочастотные магнитные поля возникают при резонансной частоте колебания ядер в исследуемых тканях. Поглощение энергии, генерируемой с радиочастотой, в организме больного может вызвать общее нагревание и местное термическое поражение. Изменяющееся с радиочастотой поле за счет поглощения объектом энергии способно вызвать нагрев металлических имплантатов, обычных татуировок или перманентных косметических татуировок, которые наносят на веки для выделения контура глаз. Риск повреждения можно уменьшить, размещая соответствующие предупреждающие знаки.

Высокие уровни акустического шума. Сильный шум создают импульсы электрического тока, питающего обмотки градиентных магнитов. Такой шум способен раздражать, вызывать дискомфорт или, достигая определенного уровня, становиться опасным. Риск вредного воздействия может быть нивелирован, если выдерживать стандарт, который определяет интенсивность акустического шума. Последний должен быть ниже уровней, соответствующих профессиональным нормативам для воздействия до 1 ч в течение рабочего дня, или ниже допустимых средних повременных и пиковых шумовых нагрузок, принятых OSHA Американской конференции по промышленной гигиене.

Лазерная система. В рассматриваемом случае лазерная установка может использоваться для позиционирования больного. Описано свойство лазера вызывать стойкое повреждение органа зрения, однако ни об одном таком происшествии сообщений не поступало.

Риск электрического тока или механической травмы. Опасности такого рода устраняют соблюдением соответствующих принципов при проектировании и эксплуатации аппаратуры.

Другие возможные факторы риска. Поле, окружающее магнит, может быть достаточно мощным, чтобы притягивать с огромной силой объекты, обладающие ферромагнитными свойствами. Так, попавшие внутрь него металлические инструменты способны травмировать человека. Эту потенциально опасную ситуацию помогут предотвратить расклеивание предупреждающих надписей, которые запрещают посторонним людям появляться в определенных зонах, и размещение принадлежностей для оказания экстренной помощи пациентам в местах, где магнитное поле незначительно.

Поле, охватывающее больного, способно привести к фатальным последствиям за счет воздействия на находящиеся в рабочем состоянии устройства, такие как кардиальные водители ритма. Статическое магнитное поле может срывать или перемещать ферромагнитные материалы, имеющиеся в теле человека, например внутрикраниальные клеммы, накладываемые на аневризмы сосудов, осколки и протезы с ферромагнитными свойствами. Каждая из таких ситуаций чревата смертельными осложнениями. После недавнего случая со смертельным исходом при проведении ЯМР (ядерного магнитного резонанса) у больного, который в прошлом перенес клипирование интракраниальной аневризмы, FDA призвало врачей быть особенно внимательными при выполнении ЯМР (ядерного магнитного резонанса) у больных с такого рода имплантатами.

Нет абсолютно никаких признаков, которые могли бы гарантировать, что наличие клемм не приведет к тяжелым последствиям. Врачи и больные должны знать о том, что взаимодействие между магнитным полем и наложенными клеммами опасно. Поскольку нет методов для определения магнитных свойств таких изделий, их производители не могут гарантировать, что клеммы не будут взаимодействовать с полями, неизбежно оказывающими свое влияние, когда проводится ЯМР (ядерный магнитный резонанс).

Действия МРТ (ЯМР) на плод и младенцев. С особой осторожностью выполняется обследование плода или младенцев, поскольку они чрезвычайно чувствительны к перегреву и нуждаются в постоянном контроле за сердечно-сосудистой и дыхательной системами.

Криогенные среды из жидкого гелия. Жидкий гелий и азот, призванные создавать низкотемпературные условия, находят применение в качестве криогенной среды для охлаждения суперпроводящей обмотки в соответствующем магните. Определенное количество этих газов испаряется во время нормальной работы аппаратуры, но если возникает необходимость в быстром охлаждении магнита, то интенсивность выкипания криогенного тела резко возрастает и газ внезапно вырывается в помещение, угрожая развитием асфиксии у персонала или пациента.

Клаустрофобия. Конфигурация аппарата для ЯМР и продолжительность обследования иногда приводят к развитию приступа клаустрофобии у некоторых больных.

в) Противопоказания для МРТ (магнитно-резонансной томографии, ЯМР). Суть магнитно-резонансного исследования заключается в воздействии сильного статического, динамически изменяющегося и радиочастотного магнитных полей. Проблемы создаются при наличии каких-либо металлических объектов в организме человека. При выполнении исследования все тело оказывается в магнитном поле. Следовательно, чувствительные к нему органы не могут быть экранированы, подобно тому, как это легко осуществляется при работе с ионизирующей радиацией.

Уборщицы, инженеры и все, кто находится поблизости от пациента, подвергаются тому же воздействию, поэтому только конкретные лица допускаются к работе с ЯМР-аппаратом.

Наличие кардиального водителя ритма — это классическое противопоказание. Людям с пейсмекером запрещено даже входить в отделение, где проводятся ЯМР-исследования. Притяжение магнитов в состоянии вызвать смещение прибора непосредственно в подкожной клетчатке или его необратимое переключение с режима работы по требованию на фиксированный ритм. Внутрикардиально расположенные провода даже при неработающем водителе ритма иногда провоцируют аритмии. Некоторые устройства, работающие на электрическом питании или на основе влияния магнитного поля, например кохлеарные имплантаты, нейростимуляторы, имплантируемые инфузионные насосы и клапаны вентрикулярных шунтов, давление открытия в которых можно менять прямо через кожу, также являются противопоказанием для выполнения ЯМР-исследования.

Съемные принадлежности, такие как магнитные приемники и зубные имплантаты, перед выполнением исследования необходимо удалять. Это же касается и тех глазных протезов, в которых постоянно присутствуют магниты, а также радиотерапевтических имплантатов, способных смещаться или размагничиваться.

Фиксированные имплантируемые металлические элементы, среди которых ортопедические и спинальные пластины и штифты (за исключением закрепляемых по окружности головы), не мешают магнитно-резонансному исследованию. Однако процедуру необходимо сразу же прекратить, если больной начинает жаловаться на боль в месте расположения данного элемента. Вентрикулярные шунты, устанавливаемые для лечения гидроцефалии, и гемостатические скобки практически никогда не создают проблем.

Магнитно-резонансное исследование откладывается на 6 нед после операции клиппирования маточных труб и введения внутрисосудистых спиралеобразных стентов. То же самое касается фильтров, которые приобретают все большую популярность у рентгенологов, занимающихся инвазивными рентгенологическими исследованиями, и требуют надежного закрепления внутри сосуда. Немагнитные зубные имплантаты безопасны, как и внутриматочные, и диафрагмальные контрацептивные средства. Иногда протезы полового члена и грудных желез могут служить противопоказанием для исследования.

Присутствие искусственных клапанов сердца допускает проведение ЯМР-процедуры, хотя раньше утверждалось обратное. Металлические фрагменты, случайно попавшие в тело человека, например дробинки, пули или шрапнель, могут мешать проведению исследования, особенно если после ранения прошло мало времени. Shellock и соавт. составили исчерпывающий перечень металлических имплантатов, материалов, устройств и других объектов. Они также описали возможные перемещения этих элементов или образование опасных перегибов под действием статических магнитных полей.

Источник: http://meduniver.com/Medical/toksikologia/vred_mrt.html

Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резонансная томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI)

— информативный, безопасный, неинвазивный метод диагностики, позволяющий получить с высокой разрешающей способностью изображения органов и систем, сосудистых структур в различных плоскостях, с использованием трехмерных реконструкций.

ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ МАГНИТНО – РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

Фундаментальным открытием в области физики было открытие Николой Тесла вращающегося магнитного поля в 1882 году в Будапеште.

В 1956 году в Мюнхене в Германии было образована международная электротехническая комиссия «Общество Тесла». Все машины МРТ откалиброваны в единицах » Тесла «. Сила магнитного поля измеряется в Тесла или в единицах Гаусс. Чем сильнее магнитное поле , тем большее количество радиосигналов, которые могут быть получены из атомов тела и, следовательно, тем выше качество изображения МРТ. 1 Тесла = 10000 Гаусс

§ Низкое поле МРТ = до 0,2 Тесла (2000 Гаусс)

§ Среднее поле МРТ = от 0,2 до 0,6 Тесла (от 2000 Гаусс до 6000 Гаусс)

§ Высокое поле МРТ = от 1,0 до 1,5 Тесла (от 10000 Гаусс до 15000 Гаусс)

В 1937 году профессор Колумбийского университета Исидор И. Раби, работая в Пупинской физической лаборатории в Колумбийском университете, Нью-Йорк, отметил квантовое явление, которое было названо ядерно-магнитным резонансом (ЯМР). Он выяснил , что атомные ядра отмечают свое присутствие за счет поглощения или излучения радиоволн при воздействии достаточно сильного магнитного поля .

Профессор Исидор И. Раби получил Нобелевскую премию за свою работу. В 1973 году Павел Лотербур, химик и исследователь ЯМР из Университета штата Нью-Йорк, получил первое ЯМР изображение.

Раймонд Дамадиан, врач и экспериментатор, работая в Даунстейтовском медицинском центре Бруклина, обнаружил, что сигнал водорода в раковой ткани отличается от здоровой ткани, потому что опухоли содержат больше воды. Чем больше воды, тем больше атомов водорода. После выключения аппарата МРТ, остаточные колебания радиоволн от раковой ткани длятся дольше, чем от здоровой ткани.

С помощью своих аспирантов, врачей Лоуренса Минкоффа и Майкла Голдсмита, доктор Дамадиан создал переносные катушки для мониторинга излучения водорода, и через некоторое время первый МРТ аппарат был сконструирован . 3 июля 1977 в течение почти пяти часов было проведено первое сканирование человеческого тела с помощью МРТ, а первые сканы пациента с раком груди были проведены в 1978 году.

ПРИНЦИП РАБОТЫ МРТ

Магнитно-резонансная томография является медицинским диагностическим методом, который создает изображения тканей и органов человеческого тела с использованием принципа ядерного магнитного резонанса. МРТ может генерировать изображение тонкого среза ткани любой части человеческого тела — под любым углом и направлением. МРТ позволяет получить изображение человеческих органов и тканей с помощью электромагнитного поля.

МРТ создает сильное магнитное поле, а в организме человека есть своеобразные маленькие биологические » магниты «, состоящие из намагниченных протонов, входящих в состав атомов водорода. Протоны является основным элементом магнитных свойств тканей организма.

Во-первых, МРТ создает устойчивое состояние магнетизма в человеческом теле, когда тело помещено в постоянное магнитное поле. Во-вторых, МРТ стимулирует организм с помощью радиоволн, что меняет стационарную ориентацию протонов . В-третьих , аппарат останавливает радиоволны и регистрирует электромагнитную трансмиссию организма . В-четвертых , передаваемый сигнал используются для построения внутренних изображений тела с помощью обработки информации на компьютере .

МРТ изображение не является фотографическим. Это, на самом деле, компьютеризированная карта или изображение радиосигналов, излучаемых человеческим телом. МРТ превосходит по своим возможностям компьютерную томографию, так как не используется ионизирующее излучение как при КТ, а принцип работы основан на использовании безвредных электромагнитных волн.

Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа.

МОЩНОСТЬ МАГНИТНОГО ПОЛЯ

Магнитно-резонансная томография (МРТ) является многоплоскостным методом визуализации, основанном на взаимодействии между

радиочастотным электромагнитным полем и некоторыми атомными ядрами в теле человека (обычно водорода), после помещения тела в сильное магнитное поле. Этот метод визуализации особенно качественно визуализирует мягкие ткани. Качество МРТ зависит не только от напряженности поля (выше 1 Тл считается высоким полем), но и от выбора катушки, использования контраста, параметров исследования, опыта специалиста, оценивающего полученное изображение и способного определить наличие патологии. Введение внутривенно контраста (гадолиния) часто используется при МРТ исследованиях. В настоящее время в МРТ аппаратах используется поле мощностью от 0.1 до 3.0 Т. В последние годы появились также томографы мощностью 7 Т, но их применение в клинике пока находится в стадии испытаний.

В клинической практике для аппаратов применяют следующую градацию аппаратов по мощности:

§ Низкопольные от 0.1 до 0.5 Т

§ Среднепольные от 0.5 до 0.9 Т

§ Высокопольные выше 1 Т

§ Сверх высокопольные 3.0 и 7.0 Т

Также подразделяют аппараты на открытого типа и закрытого (туннельного типа).

До последнего времени аппараты открытого типа были представлены только низкопольными аппаратами, но в настоящее время уже выпускаются и активно используются аппараты МРТ открытого типа с высоким полем (1 Т и более). Кроме того, появились аппараты для проведения исследований пациента в вертикальном положении или сидя. Разнообразие различных видов аппаратов МРТ позволяет очень широко использовать этот метод диагностики для определения морфологических изменений или функциональных нарушений при различных патологических состояниях.

Все аппараты можно условно разделить на низкопольные и высокопольные или открытого или туннельного типа.

НЕРЕДКО ПАЦИЕНТУ ТРУДНО СДЕЛАТЬ ВЫБОР МЕЖДУ ПРОВЕДЕНИЕМ ИССЛЕДОВАНИЯ НА НИЗКОПОЛЬНОМ ИЛИ ВЫСОКОПОЛЬНОМ АППАРАТАХ. НО МЕЖДУ НИЗКОПОЛЬНЫМИ И ВЫСОКОПОЛЬНЫМИ АППАРАТАМИ СУЩЕСТВУЕТ ЗНАЧИТЕЛЬНАЯ РАЗНИЦА.

Открытые (низкопольные) сканеры дают низкое качество изображений, и некоторые исследования для уточнения диагноза приходится повторять после низкопольных аппаратов на высокопольных аппаратах. Высокопольные МРТ аппараты с напряженностью магнитного поля (1 — 1,5-3.0 Тесла) обеспечивают высокое разрешение, которое позволяет визуализировать более детально структуру органов и тканей. Низкопольные аппараты МРТ обычно имеют мощность магнитного поля от 0.23 до 0.5 Тесла . Чем выше напряженность магнитного поля, тем лучше визуализация и более быстрее происходит сканирование. Существует прямая пропорция между увеличением мощности магнитного поля и качеством визуализации тканей .

МР аппараты сканируют тело слоями (срезами). Чем выше магнитное поле, тем срезы тоньше, что позволяет получить более детальную морфологическую картину тканей и, таким образом, более точно поставить диагноз.

Высокопольные МРТ требуют меньше времени на проведение исследования, благодаря более высокому магнитному полю. Высокопольные МРТ сканируют тело в полтора-два раза быстрее, чем аппараты низкопольные (открытого типа). Это очень важно, так как при длительном исследовании вероятность движения пациента и появления артефактов изображения увеличивается.

Высокопольные МРТ аппараты обеспечивают самые передовые методы визуализации, некоторые из которых не могут быть выполнены на аппаратах с низким магнитным полем.

Высокопольные аппараты МРТ постоянно совершенствуются для обеспечения большего комфорта для пациента и уменьшение беспокойства пациента во время проведения исследования. В последние годы были разработаны новые МРТ сканеры с существенно более короткой трубкой, что позволяет голове пациента быть снаружи отверстия магнита при выполнении ряда исследований. Отверстие магнита расширено в конце трубки, что уменьшает у пациента чувство замкнутого пространства, потому что голова пациента находится на пути к расширенному концу. Кроме того, отверстие имеет большую ширину, чем у более ранее сконструированных сканеров, что обеспечивает больше пространства вокруг пациента во время проведения исследования.

Тем не менее, у высокопольных аппаратов есть несколько минусов:

1. Клаустрофобия. Небольшой процент пациентов боятся замкнутого пространства и не могут находиться внутри высокопольного аппарата. Подавляющему большинству этих пациентов бывает достаточно принять легкое седативное до проведения исследования .Но при наличии выраженной клаустрофобии проведение исследования на аппаратах туннельного типа таким пациентам бывает весьма затруднительно .

2. Размер. МРТ-аппараты высокопольные имеют ограниченное пространство, и некоторые пациенты из-за больших размеров тела могут быть слишком велики, чтобы уместиться в туннеле МРТ аппарата. Некоторые высокопольные МРТ имеют также ограничения по весу.

3. Боль. Если у пациента имеется сильный болевой синдром в спине, в шее или другие симптомы то это затрудняет возможность пациента лежать неподвижно в течение длительного периода.

Поэтому, низкопольные (открытого типа) аппараты МРТ могут быть более подходящим для некоторых пациентов, например, с истинной клаустрофобией или с большими размерами тела.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

Лучшие изречения: Только сон приблежает студента к концу лекции. А чужой храп его отдаляет. 9213 — | 7811 — или читать все.

Источник: http://studopedia.ru/19_323117_magnitno-rezonansnaya-tomografiya-yaderno-magnitnaya-rezonansnaya-tomografiya-mrt-yamrt-NMR-MRI.html

Ларморовские частоты некоторых атомных ядер

ядро Ларморовская частота в МГц при 0,5 Тесла Ларморовская частота в МГц при 1 Тесла
1H (Водород) 21,29 42,58
2D (Дейтерий) 3,27 6,53
13C (Углерод) 5,36 10,71
23Na (Натрий) 5,63 11,26
39K (Калий) 1,00 1,99

Частота для резонанса протонов находится в диапазоне коротких волн (длина волн около 7 м) [3] .

Приборы

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 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 номинальная частота резонанса (и прибора).

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 постоянного поля (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 ν0. 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 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» (FID, free induction decay ). 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

9,25 м.д) сигнал протона альдегидной группы, в сильном (триплет

1,85-2 м.д.) — протонов метила этоксильной группы.

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 1 Н и 13 С применяют тетраметилсилан Si(CH3)4. 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 δ. Если резонанс тетраметилсилана приравнять 10 м.д. и обратить знаки на противоположные, то результирующая шкала будет шкалой τ, 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.

ЯМР-интроскопия

Явление ядерного магнитного резонанса можно применять не только в физике и химии, но и в медицине: организм человека — это совокупность все тех же органических и неорганических молекул.

Чтобы наблюдать это явление, объект помещают в постоянное магнитное поле и подвергают действию радиочастотных и градиентных магнитных полей. В катушке индуктивности, окружающей исследуемый объект, возникает переменная электродвижущая сила (ЭДС), амплитудно-частотный спектр которой и переходные во времени характеристики несут информацию о пространственной плотности резонирующих атомных ядер, а также о других параметрах, специфических только для ядерного магнитного резонанса. Компьютерная обработка этой информации формирует объёмное изображение, которое характеризует плотность химически эквивалентных ядер, времена релаксации ядерного магнитного резонанса, распределение скоростей потока жидкости, диффузию молекул и биохимические процессы обмена веществ в живых тканях.

Сущность ЯМР-интроскопии (или магнитно-резонансной томографии) состоит, по сути дела, в реализации особого рода количественного анализа по амплитуде сигнала ядерного магнитного резонанса. В обычной ЯМР-спектроскопии стремятся реализовать, по возможности, наилучшее разрешение спектральных линий. Для этого магнитные системы регулируются таким образом, чтобы в пределах образца создать как можно лучшую однородность поля. В методах ЯМР-интроскопии, напротив, магнитное поле создается заведомо неоднородным. Тогда есть основание ожидать, что частота ядерного магнитного резонанса в каждой точке образца имеет свое собственное значение, отличающееся от значений в других частях. Задав какой-либо код для градаций амплитуды ЯМР-сигналов (яркость или цвет на экране монитора), можно получить условное изображение (томограмму) срезов внутренней структуры объекта.

Нобелевские премии

Нобелевская премия по физике за 1952 г. была присуждена Феликсу Блоху и Эдварду Миллс Пёрселлу «За развитие новых методов для точных ядерных магнитных измерений и связанные с этим открытия».

Нобелевская премия по химии за 1991 г. была присуждена Ричарду Эрнсту «За вклад в развитие методологии ядерной магнитной резонансной спектроскопии высокого разрешения».

Нобелевская премия по химии за 2002 г. (1/2 часть) была присуждена Курту Вютриху «За разработку применения ЯМР-спектроскопии для определения трехмерной структуры биологических макромолекул в растворе».

Источник: http://dic.academic.ru/dic.nsf/ruwiki/1034728

Ядерно-магнитный резонанс. МРТ.

Магнитно-резонансная томография (ядерно-магнитная резонансная томография, МРТ, ЯМРТ, NMR, MRI) – нерентгенологический метод исследования внутренних органов и тканей человека. Здесь не используются Х-лучи, что делает данный метод безопасным для большинства людей.

Как проводится исследование

Технология МРТ достаточно сложна: используется эффект резонансного поглощения атомами электро-магнитных волн. Человека помещают в магнитное поле, которое создает аппарат. Молекулы в организме при этом разворачиваются согласно направлению магнитного поля. После этого радиоволной проводят сканирование. Изменение состояния молекул фиксируется на специальной матрице и передается в компьютер, где проводится обработка полученных данных. В отличие от компьютерной томографии МРТ позволяет получить изображение патологического процесса в разных плоскостях. Магнитно-резонансный томограф по своему внешнему виду похож на компьютерный. Исследование проходит так же, как и компьютерная томография. Стол постепенно продвигается вдоль сканера. МРТ требует больше времени, чем КТ, и обычно занимает не менее 1 часа (диагностика одного раздела позвоночника занимает 20-30 минут).

Метод был назван магнитно-резонансной томографией, а не ядерно-магнитной резонансной томографией (ЯМРТ) из-за негативных ассоциаций со словом «ядерный» в конце 1970-х годов. МРТ основана на принципах ядерно-магнитного резонанса (ЯМР), методе спектроскопии, используемом учеными для получения данных о химических и физических свойствах молекул. МРТ получила начало как метод томографического отображения, дающий изображения ЯМР-сигнала из тонких срезов, проходящих через человеческое тело. МРТ развивалась от метода томографического отображения к методу объемного отображения.

Метод особенно эффективен для изучения динамических процессов (например, состояния кровотока и результатов его нарушения) в органах и тканях.

Преимущества магнитно-резонансной томографии

МРТ лучше визуализирует некоторые структуры головного и спинного мозга, а также другие нервные структуры. В связи с этим она чаще используется для диагностики повреждений, опухолевых образований нервной системы, а также в онкологии, когда необходимо определить наличие и распространенность опухолевого процесса. Список заболеваний, которые можно обнаружить с помощью МРТ, внушителен: воспалительные, дистрофические и опухолевые поражения сосудов и сердца, органов грудной и брюшной полости, поражение лимфатических узлов, паразитарные процессы и другие патологии.

Вредна ли магнитно-резонансная томография?

В настоящее время о вреде магнитного поля ничего не известно. Однако большинство ученых считают, что в условиях, когда нет данных о его полной безопасности, подобным исследованиям не следует подвергать беременных женщин. По этим причинам, а также в связи с высокой стоимостью и малой доступностью оборудования компьютерная и ЯМР томографии назначаются по строгим показаниях в случаях спорного диагноза или безрезультатности других методов исследований. МРТ не может также проводиться у тех людей, в организме которых находятся различные металлические конструкции – искусственные суставы, водители ритма сердца, дефибрилляторы, ортопедические конструкции, удерживающие кости и т.п.

Как и другие методы исследования, компьютерную и магнитно-резонансную томографию назначает только врач. Далеко не во всех медицинских учреждениях проводятся эти исследования, поэтому при необходимости постарайтесь обратиться в диагностический центр.

Источник: http://www.dobrota.ru/posts/aderno-magnitnyj-rezonans-mrt/

ЯМРТ – ядерно-магнитная резонансная томография

ЯМР или по-английски NMR imaging– это сокращение от словосочетания «ядерный магнитный резонанс». Такой способ исследования вошел в медицинскую практику в 80-х годах прошлого века. Он отличается от рентгеновской томографии. Излучение, используемое в ЯМР, включает радиоволновой диапазон с длиной волны от 1 до 300 м. По аналогии с КТ ядерно-магнитная томография использует автоматическое управление компьютерным сканированием с обработкой послойного изображения структуры внутренних органов.

В чем суть ЯМРТ

В основе ЯМР используются сильные магнитные поля, а также радиоволны, которые позволяют сформировать изображение тела человека из отдельных изображений

При обработке информации от просканированных точек получаются картинки всех органов и систем в различных плоскостях, в срезе, формируется трехмерное изображение тканей и органов с высоким разрешением. Технология магнитно – ядерной томографии очень сложная, в ее основу положен принцип резонансного поглощения электромагнитных волн атомами. Человек помещается в аппарат с сильным магнитным полем. Молекулы там разворачиваются по направлению магнитного поля. Затем проводится сканирование электроволной, изменение молекул сначала фиксируется на особой матрице, а затем передается в компьютер и проводится обработка всех данных.

Области применения ЯМРТ

ЯМР томография имеет достаточно широкий спектр применения, поэтому его гораздо чаще используют в качестве альтернативы компьютерной томографии. Список заболеваний, которые можно обнаружить при помощи ЯМР очень объемный.

ЯМР томография имеет достаточно широкий спектр применения

Чаще всего такое исследование применяется для сканирования головного мозга при травмах, опухолях, деменции, эпилепсии, проблемах с сосудами головного мозга.

При диагностике сердца и сосудов ЯМР дополняет такие методы, как ангиография и КТ.
ЯМРТ позволяет выявить кардиомиопатию, врожденный порок сердца, сосудистые изменения, ишемию миокарда, дистрофию и опухоли в области сердца, сосудов.

Широко применяется ЯМР томография и при диагностике проблем с опорно-двигательным аппаратом. При таком методе диагностики очень хорошо дифференцируются связки, сухожилия и костные структуры.

При исследовании ЖКТ и печени с помощью ядерно-магнитно-резонансной томографии можно получить полноценную информацию о селезенке, почках, печени, поджелудочной железе. Если дополнительно ввести контрастное вещество, то появляется возможность отследить функциональную способность этих органов и их сосудистую систему. А дополнительные компьютерные программы позволяют сформировать образы кишечника, пищевода, желчных путей, бронхов.

Ядерная магнитно-резонансная томография и МРТ: есть ли разница

Иногда можно запутаться в названиях МРТ и ЯМР. Если ли отличие между этими двумя процедурами? Можно однозначно ответить, что нет.
Первоначально, на момент своего открытия магнитно-резонансной томографии в ее названии имелось еще одно слово «ядерная», которое со временем исчезло, осталась только аббревиатура МРТ.

ЯМРТ позволяет получить трехмерное изображение состояния органов и тканей, а значит, диагноз будет установлен более точно

Существует несколько способов исследования: ангиография, перфузия, диффузия, спектроскопия. Ядерная магнитно-резонансная томография является одной из самых лучших методик исследования, так как она позволяет получить трехмерное изображение состояния органов и тканей, а значит, диагноз будет установлен более точно и лечение будет выбрано правильное. ЯМР исследование внутренних органов человека представляет собой именно образы, а не реальные ткани. Образы появляются на фоточувствительной пленке, когда поглощаются рентгеновские лучи при получении рентгеновского снимка.

Основные плюсы ЯМР-томографии

Преимущества томографии ЯМР по сравнению с другими методами исследования многогранны и значительны.

  • Можно выбирать определенные сечения человеческого тела, которые необходимо будет просканировать.
  • Есть возможность исследовать сразу несколько сечений исследуемого органа. Например, если выбирать соответствующие градиенты магнитного поля получаются вертикальные сечения внутреннего содержимого черепа. Можно увидеть центральное сечение или сечение со смещением влево или вправо. Подобная диагностика невозможна с помощью рентгеновской радиографии.

Метод ЯМРТ чувствителен к наличию в органах водорода и другим изотопам, что позволяет получить более контрастное изображение

Минусы ЯМР-томографии

Но конечно и такой метод не лишен своих недостатков.

При помощи ЯМР нельзя выявить некоторые изменения костной структуры и камней кальцификатов

  • Большая энергозатрата. Работа камеры требует большого количества электроэнергии и дорогих технологий для нормальной сверхпроводимости. Но магниты с большой мощностью не оказывают отрицательного влияния на здоровье человека.
  • Длительность процесса. Ядерная магнитно-резонансная томография является менее чувствительным методом по сравнению с рентгеном. Поэтому требуется большее время для просвечивания. К тому же искажение картинки может происходить из-за дыхательных движений, что искажает данные при проведении исследований легких и сердца.
  • При помощи ЯМР нельзя выявить некоторые изменения костной структуры и камней кальцификатов.
  • При наличии такого заболевания, как клаустрофобия, является противопоказанием для исследования при помощи ЯМРТ. Также нельзя проводит диагностику при помощи ЯМР-томографии, если имеются крупные металлические имплантаты, кардиостимуляторы, искусственные водители ритма. При беременности диагностику проводят только в исключительных случаях.

Каждый крошечный объект человеческого тела может быть исследован при помощи ЯМР-томографии. Только в некоторых случаях следует включать распределение концентрации химических элементов в организме. Для того чтобы измерения становились более чувствительными, следует накапливать и суммировать довольно большое количество сигналов. В таком случае получается четкое изображение высокого качества, которое адекватно передает реальность. С этим связана и длительность пребывания человека в камере для проведения ЯМР-томографии. Придется неподвижно пролежать довольно долго.

В завершение можно сказать, что ядерная магнитно-резонансная томография является довольно безопасным и абсолютно безболезненным методом диагностики, который позволяет полностью избежать воздействия рентгеновских лучей. Компьютерные программы позволяют обрабатывать получившиеся сканы с формированием виртуальных изображений. Границы ЯМР поистине безграничны.

Уже сейчас такой способ диагностики является стимулом для ее стремительного развития и широкого применения в медицине. Метод отличается своей малой вредностью для здоровья человека, но при этом позволяет тщательно исследовать строение органов, как здорового человека, так и при имеющихся заболеваниях.

Источник: http://mrt-diagnostics.ru/mrt/other/yamrt-yaderno-magnitnaya-rezonansnaya-tomografiya/

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) и его медико- биолгические применения.

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

ЯМР наблюдается при выполнении условия (для свободных атомных ядер):

где gя — ядерный множитель Ланде, mя — ядерный магнетон Бора.

ЯМР представляет собой весьма чувствительный метод; в ходе измерений образец не разрушается, а необходимые его количества очень малы. С помощью ЯМР исследуют самые разные процессы и определяют самые разные величины, например:

— кинетику роста кристаллов в растворах или, напротив, кинетику их растворения;

— процессы полимеризации, например, синтетических смол;

— процессы гидратации и дегидратации, определение содержания воды в различных веществах при данных условиях;

— определение содержания свободных радикалов (кинетика горения, анализ выхлопных газов);

— исследование вязкости смазочных материалов.

Этот метод применяется при контроле за пищевыми продуктами (определение содержания воды в продуктах, отношения содержания твердых ингредиентов к жидким в жирах и маргаринах, содержания ненасыщенных компонентов в жирах, установление причин порчи продуктов и поиски новых консервантов).

С его помощью исследуют структурированность внутриклеточной воды (в раковых клетках она меньше, чем в нормальных), пытаясь создать на этой основе эффективные методы диагностики определенных заболеваний. ЯМР применяют для определения содержания масла в зернах масличных культур (анализ, не разрушающий образцы), что позволяет отбирать лучшие зерна и увеличивает рентабельность производства масла. Этот метод находит применение при стереохимических исследованиях, помогая установить механизм некоторых реакций.

При помещении атома в магнитное поле каждый его энергетический уровень расщепляется на (2I + 1) подуровней.

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

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Но такие переходы могут осуществляться индуцированно под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой кванта, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом наблюдается 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). ЭПР был открыт в 1944 году Е.К.Забойским. Он имеет место в вещества, содержащих парамагнитные части-

цы: молекулы, атомы, ионы, радикалы, обладающие магнитным моментом, обусловленным электронами. Возникающее при этом явление Зеемана объясняют расщеплением электронных уровней.

ЯМР был открыт в 1946 году Блохом и Парселом. Так как величина магнитного момента ядер приблизительно в тысячу раз меньше моментов электронных оболочек, то и частоты, отвечающие ядерному резонансу, будут в тысячу раз меньше по сравнению с частотами ЭПР.

Б × Н

При помощи ЯМР можно изучать строение молекул, их конформацию, распределение электронной плотности, слабые межмолекулярные взаимодействия (комплексообразование, сольватация, водородные связи),заторможенное внутреннее вращение, таутомерное равновесие, а иногда и кинетику реакций. Обычно снимают спектры жидкостей или растворов, иногда газов.

Спектрометр ЯМР (ЭПР). В зазор между полюсами электромагнита, создающего однородное постоянное поле высокой напряженности, помещают ампулу с образцом. Ампула окружена катушкой, в которую пропущен переменный ток для создания радиочастотного электромагнитного поля. Далее теоретически безразлично, будем ли мы плавно изменять частоту этого электромагнитного поля n, оставляя постоянной напряженность магнитного поля Ho, либо, напротив, изменять Ho при постоянной n. Имеются приборы, основанные на обоих принципах. Если изменяют Ho, то при некотором значении Ho происходит поглощение энергии образцом, причем сила тока в катушке падает.

Это изменение усиливается и передается на самописец или осциллограф.

А— ампула с образцом

М – магнит Г – генератор

О – осциллограф С — самописец

Применения ЭПР — обнаружение и исследование свободных радикалов (например, концентрацию их в воздушной среде), для изучения фотохимических процессов (фотосинтеза), для изучения биологических молекул методом спин-меток и др.

Картину пространственного расположения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-томографии (интроскопии). 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 слои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов изменений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, например, атомы водорода или фосфора (при наблюдениях магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

Достоинством метода ЯМР-томографии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей, а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии ЯМР-томография позволяет получить изображение исследуемого объекта в любом сечении.

На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов.

Источник: http://lektsii.org/13-69094.html

11.4. Ядерный магнитный резонанс

Ядерные частицы (протоны и нейтроны) обладают спиновым магнитным моментом, следовательно, ядра химических элементов также обладают магнитным моментом. Если ядро имеет четное число протонов и четное число нейтронов, то магнитный момент ядра равен нулю и такие ядра не пригодны для анализа вещества методом ядер- ного магнитного резонанса (ЯМР). В табл. 11.2 приведены ядра и их параметры, для которых применим метод ЯМР [23].

Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, то взаимодействие его с магнитным моментом ядра приводит к тому, что ядро может находиться в дискретных квантованных энергетических состояниях. Если при этом вещество поместить в переменное магнитное поле высокой частоты, что при равенстве энергии кванта высокочастотного поля и разности энергетических уровней ядра будет возникать ядерный резонанс. При условии резонанса 2я/= уВ0, где/ — частота поля; В0 — индукция внешнего постоянного поля; у — гиромагнитное отношение ядра.

Магнитные свойства ялер

Резонансная частота, МГц, при индукции 1 Тл

Относительная чувствительность при постоянном токе

Степень поглощения Сп зависит от индукции В (рис. 11.12).

Как видно из табл. 11.2, наилучшими объектами для ЯМР являются атомы водорода и фтора при этом для анализа используют магнитные поля 1,4—2,3 Тл. Чувствительность метода возрастает пропорционально квадрату индукции магнитного поля. При В0 1,4 Тл для водорода получают частоту 60 МГц.

В положении, близком к резонансу, энергия, передаваемая от внешнего высокочастотного поля к ядрам, передается веществу, т.е. происходит релаксация энергии. Кроме того, магнитные моменты ядер взаимодействуют друг с другом (спин-спиновое взаимодействие). Эти взаимодействия приводят к тому, что форма кривой ЯМР зависит от структуры и состояния вещества.

Рис. 11.12. К пояснению принципа устройства прибора для ЯМР

Схема устройства прибора для ЯМР показана на рис. 11.12. Ампулу 1 с веществом, подвергаемым анализу, помещают между полюсами магнита 2, который создает постоянное магнитное поле. На ампуле расположена обмотка катушки высокой частоты с определенной индуктивностью, включенной в схему радиочастотного моста 5. На катушку и мост подается напряжение высокой частоты/0 от генератора 4. В положении, близком к резонансу, происходит дополнительное поглощение энергии в веществе, что приводит к снижению добротности катушки. Одновременно изменяется магнитная проницаемость вещества, что приводит к изменению индуктивности катушки. После усилителя 5 сигнал подается для записи на диаграмму ЯМР.

Кривая б показывает изменение магнитной проницаемости хг которая соответствует производной от функции (см. кривую а) поглощения энергии при ЯМР. В качестве основных параметров ЯМР обычно рассматривают ширину кривой а, которую измеряют как разность между экстремумами кривой б. Другим параметром ЯМР считают дисперсию кривой а (момент второго порядка см. гл. 12).

В твердых телах резонансные линии имеют значительную ширину и их форма определяется структурой кристаллической решетки. В жидкостях спектры ЯМР состоят из ряда узких линий, относительное расположение и интенсивности которых определяются структурой молекул. Соответственно для изучения спектров применяется аппаратура для «метода широких линий» и для «спектров высокого разрешения».

В аппаратуре для ЯМР обычно применяется постоянная частота, получаемая от генераторов с кварцевыми стабилизаторами. Развертка диаграммы по горизонтальной оси осуществляется слабыми отклонениями напряженности ДЯ0 магнитного поля от положения резонанса Я0. Ширина линий ДЯ0 в твердых телах составляет единицы и десятки эрстед. В жидкостях ширина резонансных линий

протонов составляет около 10 4 Э. Это означает, что однородность магнитного поля магнита по всему объему, занимаемому анализируемым веществом, должна быть не хуже приведенных значений. Такие же требования предъявляют и к стабильности магнитного поля и частоты во времени.

В аппаратуре для ЯМР применяют высокостабилизированпые генераторы и магниты, а также устройства для повышения однородности магнитного поля. Для регистрации спектров ЯМР используют чувствительную и сложную усилительную аппаратуру. Масса магнитов достигает сотен килограммов.

Рис. 11.13. Форма кривой поглощения энергии при ЯМР при температуре

Диаметр с] ампул с веществом составляет обычно 5 мм, длина — примерно 20 мм (см. рис. 11.12). На ампуле или располагают нагреватель, или охлаждают ее сжиженными газами. Это позволяет исследовать структуру вещества при разных температурах.

Метод ЯМР используют для исследования полимеров [24]. Форма, ширина и момент второго порядка линии ЯМР зависят от строения цепи полимера — наличия разветвленности, стереорегулярности, и степени кристалличности полимера. В ориентированных полимерах — волокнах и пленках — спектр ЯМР зависит от угла поворота образца в магнитном поле, и с помощью ЯМР можно получить информацию о характере ориентации макромолекул или кристаллитов в полимере. Наблюдая изменение ширины линий АН при изменении температуры, получают данные о молекулярном движении в полимере. Ширина и форма линии ЯМР изменяются также и в том случае, когда в полимере идут химические и физические процессы: полимеризация, сшивание цепей, деструкция. Метод ЯМР позволяет изучать и механизм этих процессов.

Спектры высокого разрешения получают, наблюдая ЯМР в растворах и расплавах полимеров. По ним судят о структуре макромолекулы полимера.

На рис. 11.13 приведены линии ЯМР полиэтилена [24] при температуре -183 °С (рис. 11.13, а) и при 3,5 °С (рис. 11.13, б). При температуре -183 °С линия состоит только из широкой составляющей, характерной для кристаллического полимера. При температуре 3,5 °С линия ЯМР суммируется из широкой и узкой составляющих, характерных для аморфной части полиэтилена.

Метод ЯМР применяют совместно с другими физическими и химическими методами.

Источник: http://ozlib.com/827053/tehnika/yadernyy_magnitnyy_rezonans

Ядерный магнитный резонанс

Я́дерный магнитный резонанс

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: http://gufo.me/dict/medical_encyclopedia/%D0%AF%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D1%80%D0%B5%D0%B7%D0%BE%D0%BD%D0%B0%D0%BD%D1%81

Ядерная магнито-резонансная томография – современный метод диагностики

Сегодня все чаще пациентов направляют не на рентгенографию или УЗИ, а на ядерную магниторезонансную томографию. В основе такого метода исследования лежит магнетизм ядра. Рассмотрим, что такое ямр томография, какие ее преимущества и в каких случаях она проводится.

Что это за исследование?

Этот метод диагностики основан на ядерном магнитном резонансе. Во внешнем магнитном поле ядро атома водорода, или протон, находится в двух взаимно противоположных состояниях. Изменить направление магнитного момента ядра можно, подействовав на него электромагнитными лучами с некоторой определенной частотой.

Помещение протона во внешнее магнитное поле вызывает изменение его магнитного момента с возвращением в исходное положение. При этом выделяется определенное количество энергии. Магнитно резонансный томограф фиксирует изменение количества такой энергии.

Томограф использует очень сильные магнитные поля. Электромагниты обычно способны развивать магнитное поле напряженностью 3, иногда до 9 Тл. Оно является полностью безвредным для человека. Система томографа позволяет локализировать направленность магнитного поля с тем, чтобы получить наиболее качественные изображения.

Ядерно магнитный томограф

Способ диагностики основывается на фиксации электромагнитного отклика ядра атома (протона), происходящего из-за возбуждения его электромагнитными волнами в высоконапряженном магнитном поле. Впервые о магнитно резонансной томографии заговорили еще в 1973 году. Тогда американский ученый П. Латербур предложил провести исследование объекта в изменяющемся магнитном поле. Работы этого ученого послужили началу новой эры в медицине.

С помощью магнитно резонансного томографа стало возможным изучать ткани и полости организма человека благодаря степени насыщенности тканей водородом. Часто применяются магнито-резонансные контрастные вещества. Чаще всего это препараты гадолиния, которые способны изменять отклик протонов.
Термин «ядерная МР томография» существовал до 1986 года.

В связи с радиобоязнью у населения в связи с катастрофой на Чернобыльской атомной электростанции из названия нового метода диагностики решено было убрать слово «ядерный». Впрочем, это позволило магнито-резонансной томографии быстро войти в практику диагностики многих заболеваний. На сегодня этот метод является ключевым в определении множества еще недавно труднодиагностируемых заболеваний.

Как проводится диагностика?

При проведении МРТ используется очень сильное магнитное поле. И хотя оно не опасно для человека, все же врачу и пациенту нужно придерживаться определенных правил.

Прежде всего, перед процедурой диагностики пациент заполняет специальную анкету. В ней он указывает состояние здоровья, а также ведомости о себе. Обследование делается в специально подготовленном помещении с кабинкой для переодевания и личных вещей.

Чтобы не навредить самому себе, а также для обеспечения правильности результатов пациент должен снять с себя все вещи, которые содержат металл, оставить в шкафчике для личных вещей мобильные телефоны, кредитные карточки, часы и проч. Женщинам желательно смыть с кожи декоративную косметику.
Дале пациента помещают внутрь трубы томографа. По указанию врача определяется зона обследования. Каждая зона обследуется в течение десяти – двадцати минут. Все это время пациент должен находиться неподвижно. От этого будет зависеть качество снимков. Врач может зафиксировать положение пациента, если это необходимо.

Во время работы аппарата слышатся равномерные звуки. Это нормально и свидетельствует о том, что исследование проходит правильно. Для получения более точных результатов пациенту может быть введено внутривенно контрастное вещество. В отдельных случаях при введении такого вещества ощущается прилив тепла. Это совершенно нормально.

Приблизительно через полчаса после исследования врач может получить протокол исследования (заключение). Выдается также диск с результатами.

К преимуществам такого обследования относят следующее.

Показания к МРТ

Показаний к проведению магнитно резонансной томографии много.

  • Нарушения мозгового кровообращения.
  • Подозрения на новообразование мозга, поражение его оболочек.
  • Оценка состояния органов после оперативного вмешательства.
  • Диагностика воспалительных явлений.
  • Судороги, эпилепсии.
  • Черепно-мозговая травма.
  • Оценка состояния сосудов.
  • Оценка состояния костей и суставов.
  • Диагностика мягких тканей организма.
  • Заболевания позвоночника (в том числе остеохондроз, спондилоартроз).
  • Травмы позвоночника.
  • Оценка состояния спинного мозга, в том числе подозрения на злокачественные процессы.
  • Остеопороз.
  • Оценка состояния органов брюшины, а также забрюшинного пространства. МРТ показано при желтухе, хроническом гепатите, холецистите, желчнокаменной болезни, опухолевидном поражении печени, панкреатите, заболеваниях желудка, кишечника, селезенки, почек.
  • Диагностика кист.
  • Диагностика состояния надпочечников.
  • Заболевания органов малого таза.
  • Урологические патологии.
  • Гинекологические заболевания.
  • Болезни органов грудной полости.

Кроме того, показано магнито-резонансное исследование всего организма при подозрении на новообразование. С помощью МРТ можно проводить поиск метастазов, если диагностирована первичная опухоль.

Это далеко не полный перечень показаний для проведения магнито-резонансной томографии. Можно с уверенностью утверждать, что нет такого организма и заболевания, которое не можно было бы обнаружить при помощи такого способа диагностики. Поскольку же возможности медицины растут, то перед врачами открываются практически безграничные возможности диагностики и лечения многих опасных болезней.

Когда противопоказана магнитно-резонансная томография?

Для МРТ существует ряд абсолютных и относительных противопоказаний. К абсолютным противопоказаниям относятся такие.

  1. Наличие установленного кардиостимулятора. Это связано с тем, что колебания магнитного поля способны подстраиваться под ритм сердца и таким образом могут привести к летальному исходу.
  2. Наличие установленных ферромагнитных или электронных имплантатов в среднем ухе.
  3. Большие имплантаты из металла.
  4. Наличие в организме ферромагнитных осколков.
  5. Наличие аппаратов Илизарова.

К относительным противопоказаниям (когда исследование возможно при выполнении определенных условий) относятся:

  • инсулиновые насосы;
  • инсулиновые помпы;
  • стимуляторы ЦНС;
  • имплантаты неферромагнитного типа;
  • кардиопротезы;
  • клипсы кровоостанавливающие;
  • сердечная недостаточность в декомпенсированной стадии;
  • беременность до 12 недель (хотя в настоящее время собрано мало информации касательно влияния магнитного поля на организм);
  • клаустрофобия;
  • неадекватное поведение пациента;
  • тяжелые заболевания;
  • необходимость в постоянном наблюдении;
  • клаустрофобия;
  • татуировки, выполненные с помощью красок, содержащих соли металлов.

При выполнении МРТ с контрастом противопоказаниями является анемия, хроническая декомпенсированная почечная недостаточность, беременность, индивидуальная непереносимость.

Заключение

Значение магнитно-резонансной томографии для диагностики трудно переоценить. Это – совершенный, неизвазивный, безболезненный и безвредный способ обнаружения многих болезней. С внедрением магнитно-резонансной томографии улучшилось и лечение пациентов, так как врач знает точный диагноз и особенности всех процессов, протекающих в организме пациента.

Не нужно бояться проведения МРТ. Пациент не ощущает никаких болевых ощущений во время процедуры. Она ничего не имеет общего с ядерным или рентгеновским излучением. Отказываться от проведения такой процедуры также нельзя.

Источник: http://uziprosto.ru/mrt/inye-voprosy/yaderno-magnitno-rezonansnaya-tomografiya-osobennosti.html

Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
ОнкологРФ