| Головна » Статті » Фізика | [ Додати статтю ] |
Ядерний магнітний резонанс. Томографія
|
ЯДЕРНИЙ МАГНІТНИЙ РЕЗОНАНС Атоми, як відомо, складаються з ядра та електронів, що обертаються навколо нього. Ядро несе позитивний заряд, кратний заряду протона, і має власний магнітний момент. Отже, ядро нагадує маленький магніт з певним магнітним моментом. Ядерним магнітним резонансом називають вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти речовиною в постійному магнітному полі, зумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер. Між магнітним моментом і спіном ядра наявна така залежність: ps=ysg, де ps — магнітний момент; У — гіромагнітне відношення; s — спін ядра. Ядра з парною кількістю нуклонів не мають спіну, магнітний момент їх дорівнює 0. Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) може відбуватися на ядрах, які мають спін 1/2 ('#, 13С > l5N > 31Р > l9F та ін). У зовнішньому магнітному полі вони можуть перебувати у двох енергетичних станах, орієнтуючись у напрямі поля (ms =+1/2) або проти нього (mf=-l/2). У постійному магнітному полі ядра обертаються навколо силових ліній поля. Це обертання називають прецесією. Воно характеризується певною частотою для різних типів ядер і залежить від напруженості магнітного поля. Відстань між енергетичними рівнями залежить від магнітного моменту ядра, індукції магнітного поля і визначається так: Під час дії високочастотного імпульсу, якщо його частота збігається з частотою прецесії ядер, ці ядра переходять у збуджений стан. Це і є явище ЯМР. Проте такі переходи ядер у збуджений стан з поглинанням енергії відбуваються до певного моменту, до насичення. Якщо припинити подачу високочастотного сигналу, то ядра атомів речовини зразка будуть повертатися на нижчий рівень, випромінюючи енергію. Зразок розміщений у котушці, вона сприймає енергію і перетворює її в електричний ЯМР-сигнал. ЯМР-сигнал характеризується інтенсивністю і часом релаксації, тобто часом повернення збуджених ядер у початковий енергетичний стан. Тривалість релаксації залежить від типів енергетичної взаємодії ядер. Час спін-спінової ( Т2) релаксації характеризує швидкість встановлення рівноважного розподілу ядер у спіновій системі, а час спін-граткової релаксації (Тх) — швидкість встановлення системи ядерних спінів з іншими ступенями вільності (граткою) зразка. У рідинах Тх і Т2 приблизно дорівнюють 1с, що відповідає ширині резонансної лінії - 1 Гц. Для твердих тіл Т2 менше, ніж Гг, і вимірюється у мс. Основними параметрами ЯМР є хімічний зсув та константа спін-спінової взаємодії. Якщо атом перебуває в постійному магнітному полі, то його електронна оболонка взаємодіє із зовнішнім полем Во. Тоді виникає додаткове магнітне поле В протилежного напряму: де а не залежить від Во, але залежить від електронного оточення і називається сталою екранування. Внаслідок екранування на ядро діє локальне поле: Втк=В0-аВ0=В0(1-(т). Екранування ядер зумовлює зближення рівнів енергії, і для резонансу потрібне сильніше поле (з більшою індукцією), ніж для неекранованого ядра. У зразках завжди є декілька груп ядер одного ізотопа, однак вони є складовими молекул однієї або різних речовин і тому мають різні сталі екранування. Ці групи ядер дають смуги в різних ділянках ЯМР-спектра. Зміщення ЯМР-сигналу залежно від хімічного оточення, зумовлене різними сталими екранування, називається хімічним зсувом. Цей параметр вимірюється в герцах і залежить від індукції магнітного поля. На практиці використовують не абсолютні значення хімічного зсуву, а його відносне значення (відносна зміна індукції поля або частоти): можна одержати також, використовуючи значення спін-спінових взаємодій ядер. Це явище зумовлене магнітною взаємодією хімічно нееквівалентних ядер, яка відбувається через електронні хмарки атомних зв'язків і зумовлює додаткове розщеплення сигналів у спектрі, але швидко згасає із збільшенням відстані між підрівнями. Інтенсивність ЯМР-сигналів, значення хімічного зсуву, півширина та площа смуги визначаються магнітними й електронними властивостями самих ядер і властивостями атомів, груп атомів та молекул, які оточують ці ядра. Тому, очевидно, існує тісний зв'язок між структурою речовини та ЯМР-спектром, який можна використовувати для дослідження цієї структури. За значенням хімічного зсуву ядер можна оцінити характер розподілу електронної густини молекул. Інформацію про структуру органічних сполук Генератор створює поле з індукцією, а перпендикулярне поле Во створене постійним магнітом. За умови, що v = v0, відбувається резонансне поглинання, внаслідок чого в контурі спадає напруга. Спад напруги реєструється детектором, підсилюється і подається на осцилограф. Поле з індукцією ВІ змінюється на 1СГ3 Тл з частотою від 50 Гц до 1 кГц. Таку саму частоту має горизонтальна розгортка осцилографа. На екрані одержуємо смугу поглинання. ЯМР-ТОМОГРАФІЯ З усіх видів комп'ютерних томографів найбільш перспективною є система, у якій використовується ядерний магнітний резонанс. Ця система дає змогу одержати зображення будь-яких перерізів органів людського організму.Для розуміння принципу дії ЯМР-томографа ще раз коротко пригадаємо суть ЯМР. Ядра фосфору, фтору, водню та інших елементів, що містяться в організмі людини, подібні до дзиги, яка обертається навколо своєї осі. Цю властивість елементарних частинок та атомів називають спіном. Якщо зразок розмістити в постійному магнітному полі, то осі "дзиг" орієнтуються в напрямі ліній індукції поля: одні — вздовж поля, інші — проти нього. Якщо перпендикулярно подати змінний високочастотний сигнал (радіохвилі), то ядерні дзиги отримають енергію й обертатимуться навколо силових ліній магнітного поля на чітко визначеній резонансній частоті (звідси і назва — ядерний магнітний резонанс). У певний момент вимикаємо генератор, який створював радіовипромінювання, і дія його на ядра припиняється. Однак ядра за інерцією ще деякий час продовжують прецесію. Поступово цей рух послаблюється, але весь час кажуть, що "звучить" спінове ехо. За інтенсивністю цього еха та швидкістю його згасання можна судити про властивості речовини: чим більша густина, тим швидше згасає ехо. Нехай об'єкт перебуває в магнітному полі певної форми та індукції. Розгойдавши ядерні дзиги, будемо реєструвати їхнє спінове ехо. Опрацювавши на ЕОМ результати вимірювань, отримаємо просторовий розподіл концентрації ядер, а також час, протягом якого згасає спінове ехо — ЯМР-томограму. Вода — основна складова біологічних об'єктів, тому досліджуваним сигналом під час ЯМР-томографії є сигнал протонного магнітного резонансу молекул води. Частота ЯМР-сигналу пропорційна індукції зовнішнього магнітного поля. Тому, створивши градієнт магнітного поля у тканині, одержимо спектр ЯМР, у якому інтенсивність сигналу за певної частоти характеризує відносний вміст води в тій частині тканини, яка розміщена в ділянці певного значення магнітного поля. Досліджуваний біологічний об'єкт розглядають з різних боків у магнітному полі. За одержаними проекціями, використовуючи комп'ютер, отримують зображення. У різних частинах зразка амплітуда ЯМР-сигналу різна. Це дає змогу досліджувати кожну точку біологічного об'єкта. Таким способом можна визначити величину та положення пухлин в організмі. Тканинам пухлин властива більша намагніченість, тому ЯМР-сигнал води пухлини насичується легше, ніж сигнал нормальної тканини. Такий метод дослідження можна використовувати для одержання зображень органів грудної клітки або певних ділянок черепа. Окрім протонного резонансу, у біологічних дослідженнях використовують спектроскопію ЯМР на інших ядрах: 13С , 31Р тощо. Якщо ЯМР-томограф настроїти на певну частоту радіовипромінювання та індукцію поля, то відреагують ядра певного типу атомів, наприклад водню, фосфору. Можна дослідити також ядра інших елементів. Таким чином, ЯМР-томографія дає змогу досліджувати тонкі хімічні процеси в тканинах людини. ЯМР-томографія має не лише великі діагностичні можливості, а й гарантує повну безпеку для пацієнта. Це метод візуалізації та точних вимірювань внутрішніх структур складних об'єктів без їх руйнування. ЯМР-томографія В основі ядерно-магніто-резонансної томографії (ЯМР-томографії) лежить явище ядерного магнітного резонансу (ЯМР). Як виявляється, система протонів ядра, які знаходяться у зовнішному магнітному полі з індукцією В, може резонансно поглинати енергію високочастотного електромагнітного поля з частотою vp, що лежить в радіодіапазоні (частіше за все в НВЧ-діапазоні). За умовою резонансу резонансна частота vp прямо пропорційна індукції В магнітного поля і може змінюватися в досить широких межах. Це явище дає дуже цінну інформацію щодо просторового розподілу ядер в певному об'ємі, що знаходиться у магнітному полі. Спрощений принцип роботи ЯМР-томографа можна пояснити так: на біооб'єкт 1, вміщений в котушку 2 і в магнітне поле 3, діють імпульсами від генератора 4. Ці імпульси через радіочастотний передавач 5 діють на біооб'єкт, в якому внаслідок явища магнітного резонансу протони відгукуються відповідним сигналом, поглинаючи енергію радіочастотного електромагнітного поля. Цей сигнал протонного магнітного резонансу (ПМР), який є частинним випадком ЯМР, вимірюється приймачем 6 і подається на комп'ютер 7, який обробляє сигнал і одночасно визначає режим роботи генератора радіоімпульсів 4. Важливими завданнями, пов'язаними з практичною реалізацією метода ЯМР-томографії є: 1) створення необхідної конфігурації магнітного поля; 2) відновлення (візуалізація) зображення досліджуваного біооб'єкта. Для вирішення першого завдання досліджуваний об'єкт вміщується в магнітне поле, індукція якого лінійно змінюється в якомусь (одному, двох, а частіше за все - в трьох взаємо перпендикулярних напрямках. В такому випадку говорять про лінійний градієнт магнітного поля, для якого зміна індукції В з координатою х відбувається за законом В(х) = Вй + ах,де а = dBJdx = const - стала величина, яка характеризує градієнт магнітного поля; Во - певне значення індукції, що досягається всередині досліджуваного об'єкта. Вертикальні лінії умовно зображують витки котушки, через яку пропускається струм, що створює магнітне поле. Як відомо, добуток сили струму / на кількість витків п, що припадають на одиницю довжини котушки, визначає індукцію В на осі такого соленоїда (В ~ /• и). Зрозуміло, що можна накрутити металевий дріт таким чином, щоб кількість витків п і відповідно індукція В змінювались лінійно вздовж осі х, забезпечуючи тим самим виконання залежності. Оскільки магнітне поле змінюється в напрямку х, то на підставі умови резонансу буде в цьому напрямку змінюватися і резонансна частота vp. Далі, враховуючи той факт, що площа під кривою поглинання в спектрі ПМР визначає кількість протонів, що входять до складу ядер певних хімічних елементів, можна отримати просторовий розподіл густини протонів (тобто атомних ядер) вздовж осі х. Таким способом отримують одновимірну проекцію біооб'єкта. Вирішення другого завдання - відновлення об'ємного зображення - стало можливим завдяки роботам П.Лаутербурга та інших вчених, які використали для цього так званий метод відновлення за проекціями. Суть цього методу полягає в отриманні багатьох одновимірних проекцій досліджуваного об'єкта. Це досягається зміною напрямку градієнта індукції магнітного поля за рахунок зміни сили струму в трьох взаємо перпендикулярних котушках (соленоїдах). На відміну від рентгенівської томографії такий метод дає змогу виключити механічні переміщення досліджуваного біооб'єкта або апаратурних частин томографа. Ще одна особливість методу комп'ютерної томографії полягає у можливості отримання інформації (зображень) від тонких шарів тривимірного біооб'єкта. В методі ЯМР-томографії це досягається двома способами. 1) за рахунок використання спеціальної математичної обробки зображень (зокрема, так званого перетворення Родона і тривимірних Фур'є-перетворень); 2) за рахунок вибіркового (селективного) збудження тонкого шару біооб'єкта. Слід зазначити, що на сигнал (точніше кажучи, на співвідношення сигнал-шум) в ЯМР-томограмах впливає не тільки густина протонів, а й ціла низка внутрішніх та зовнішніх факторів (температура, склад тканин, діамагнітні, парамагнітні та феромагнітні домішки, параметри апаратури, специфічні особливості комп'ютерних програм тощо). Змінюючи ці фактори (наприклад, параметри послідовності радіочастотних імпульсів), можна досягти суттєвого покращання контрасту зображення в методі ЯМР-томографії. Цей метод знаходить дедалі ширше застосування в медицині завдяки таким його перевагам, як відсутність дозових навантажень (порівняно з рентгенівськими томографами) та можливість отримання контрастних зображень з метою ефективності діагностики різних патологій. | |
| Переглядів: 598 | |
| Всього коментарів: 0 | |