Ядерний магнітний резонанс. Ямр-томографія.

Атоми складаються з ядра та електронів, які обертаються навколо нього. Ядро несе позитивний заряд, кратний заряду протона. Обертання ядра, еквівалентне коловому електричному струму, створює магнітне поле, спрямоване вздовж осі обертання. Отже, ядро нагадує маленький магніт.

Якщо носіями магнітного моменту є ядра, то резонансне поглинання енергії називається ядерним магнітним резонансом.

Ядерний магнітний резонанс (ЯМР) — це явище резонансного поглинання радіочастотних хвиль деякими ядрами атомів, що розміщені у зовнішньому магнітному полі. Найчастіше ЯМР досліди проводять на ядрах атомів водню, тобто на протонах, або на ядрах ізотопу вуглецю ¹³С. На базі ЯМР була розвинута ЯМР-спектроскопія, що дозволяє з великою точністю розрізняти ядра елемента за їхніми властивостями в різному оточенні в молекулі.

Ядерним магнітним резонансом називають вибіркове поглинання електромагнітних хвиль певної частоти речовиною у постійному магнітному полі, зумовлене переорієнтацією магнітних моментів ядер.

Магнітний момент і спін ядра зв’язані залежністю: .

де Р_s — магнітний момент, γ — гіромагнітне відношення, S — спін ядра. Ядра з парним числом протонів не мають спіна, магнітний момент їх дорів­нює 0

Ядерний магнітний резонанс може відбуватись на ядрах, які мають спін 1/2. У зовнішньому магнітному полі вони можуть перебувати у двох енергетичних станах, орієнтуючись у напрямі поля (m_s = +1/2) або проти нього (m_s = -1/2).

У постійному магнітному полі ядра обертаються навколо силових ліній. Це обертання називають прецесією. Прецесія 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:

Під час дії високо частотного імпульсу, якщо його частота збігається з частотою прецесійного руху ядер, ці ядра переходять у збуджений стан. Це і буде явище ЯМР. Але такі переходи ядер у збуджений стан з поглинанням енергії відбуваються до певного моменту, до насичення. Якщо відключити високочастотний сигнал, то ядра атомів речовини зразка будуть повертатися на нижчий рівень, випромінюючи енергію. Зразок знаходиться у котушці, вона сприймає енергію і перетворює її в електричний ЯМР-сигнал.

ЯМР-снгнал характеризується інтенсивністю і часом релаксації, тобто часом повернення збуджених ядер у вихідний енергетичний стан. Тривалість релаксації залежить від типів енергетичної взаємодії між ядрами. Час спін-спінової (T₁) релаксації характеризує швидкість встановлення рівноважного розподілу ядер за рахунок взаємодії в спіновій системі, а час спік-ґраткової релаксації (Т₂) — швидкість встановлення теплової речовини системи ядерних спінів з іншими ступенями вільності (граткою) зразка. У рідинах Т₁, і Т₂ приблизно рівні 1с. що відповідає ширині резонансної лінії ~1 Гц, Для твердих тіл T₁ менше ніж Т₂ і вимірюється у мс.

Основними параметрами ЯМР є хімічний зсув та константа спін-спінової взаємодії.

Якщо атом перебуває у постійному магнітному полі, то його електронна оболонка взаємодіє із зовнішнім полем В_о. При цьому виникає додаткове магнітне поле В протилежного напрямку: , де σ не залежить від В_о, але залежить від електронного оточення і називається сталою екранування. Внаслідок екранування на ядро діє локальне поле:

Екранування ядер зумовлює зближення рівнів енергії і для резонансу необхідно сильніше поле (з більшою індукцією), ніж для неекранованого ядра.

У зразках завжди ε декілька груп ядер одного ізотопа, однак вони є складовими молекул однієї або різних речовин і тому мають різні сталі екранування. Ці групи ядер дають нам смуги у різних ділянках ЯМР-спектру.

Змішення ЯМР-сигпалу в залежності від хімічного оточення, зумовлене різними сталими екранування, називається хімічним зсувом. Цей параметр вимірюється у герцах і залежить від індукції магнітного поля. На практиці використовують не абсолютні значення хімічного зсуву, а його відносне значення, виміряне в частках індукції поля або частоти від сигналу еталонної речовини.

де В_зр- В_ет — різниця резонансних значень індукцій поля для зразка і еталона

де ν_зр-ν_ет – різниш частот для зразка і еталона, ν_o— частота генератора.

За значенням хімічного зсуву ядер можна оцінити характер розподілу електронної густини молекул.

Інформацію про структуру органічних сполук можна одержати також, використовуючи значення спін-сніиоаих взаємодій ядер. Це явище зумовлене магнітною взаємодією хімічно нееквівалентних ядер, яка здійснюється через електронні хмарки атомних зв'язків і зумовлює додаткове розщеплення сигналів у спектрі, але швидко затухає із збільшенням відстані.

Інтенсивність ЯМР-сигналів. значення хімічного зсуву, ширина та які оточують ці ядра. Тому очевидно, що існує тісний зв'язок між будовою речовини та ЯМР-спектром, який можна використовувати для дослідження цієї структури. ЯМР спостерігають за допомогою радіоспектроскопів .

1-катушка зі зразком, 2-полюси магніта, 3-ВЧ-генератор, 4-підсилювач і детектор, 5-генератор моделюючої напруги, 6-катушка модуляції зовнішнього поля, осцилограф.

Генератор створює поле з Індукцією В,, а перпендикулярне поле Ва створене постійним магнітом. При ν=ν₀ відбувається резонансне поглинання, внаслідок чого у контурі падає напруга. Спад напруги реєструється детектором, підсилюється і подається на осцилограф. Поле В, підібране так, що воно змінюється на 10^-3 Тл з частотою від 50 Гц до 1 кГц і таку саму частоту має горизонтальна розгортка осцилографа. На екрані дістаємо смугу поглинання.

ЯМР-томографія

З усіх видів комп'ютерних томографів найбільш перспективною є система, де використовується явище ядерного магнітного резонансу. Ця система дає змогу одержати зображення будь-яких перерізів людською організму.

Дня розуміння принципу дії томографа ще раз коротко пригадаємо суть самого явища ЯМР.

Ядра фосфору, фтору, водню та інших елементів, що містяться в організмі людини, подібні до "дзиги", яка обертається навколо своєї осі помістити а постійне магнітне поле, то осі "дзиг" орієнтуються в напрямі ліній індукції поля; одні вздовж поля, інші - проти нього. Якщо перпендикулярно прикласти змінний високо частотний сигнал (радіохвилі), то "ядерні дзиґи" отримують енергію і обертаються навколо силових ліній магнітного поля на чітко визначеній резонансній частоті (звідси і назва — ядерний магнітний резонанс).

У певний момент вимикаємо струм, 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 значенням та швидкістю його спаду можна судити про властивості речовини: чим більша густина, тим швидше затухає ехо.

Нехай об'єкт знаходиться у магнітному полі певної форми та індукції. Розгойдавши "ядерні дзиги", будемо реєструвати їх спінове ехо. Обробивши на ЕОМ результати вимірювань, отримаємо просторовий розподіл концентрації ядер. А також час, протягом якого заспокоюється спінове ехо—ЯМР- томограму.

Вода — основна складова частина біологічних об'єктів, тому досліджуваним сигналом під час ЯМР-томографії є сигнал протонного магнітного резонансу молекул води.

Частота ЯМР пропорційна індукції зовнішнього магнітного поля і тому, створюючи градієнт магнітного і поля у тканині, одержуємо спектр ЯМР, в якому інтенсивність сигналу за певної частоти буде характеризувати відносний вміст води у тій частині тканини, яка знаходиться в області певного значення магнітного поля.

Досліджуваний біологічний об'єкт розглядають із різних сторін у магнітному полі. За одержаними проекціями, використовуючи комп'ютер, отримують зображення. У різних частинах зразка буде різна амплітуда ЯМР-сигналу, і це дає змогу досліджувати кожну точку біологічного об'єкта. Таким способом можна виявити розмір та положення пухлин в організмі. Тканинам пухлин властива більша намагніченість, тому сигнал ЯМР води пухлини насичується легше, ніж сигнал нормальної тканини. Такий метод дослідження можна використовувати для одержання зображень органів усередині грудної клітки або певних ділянок в області черепа. Окрім дослідження протонного резонансу, у біологічних дослідженнях використовують спектроскопію ЯМР на інших ядрах ¹³С, ³¹Р тощо.

Якщо ЯМР-томограф встановити на певну частоту радіовипромінювання та індукцію поля, то відреагують ядра певного типу атомів, наприклад, водню, фосфору. Можна дослідити і ядра інших елементів. Таким чином, ЯМР-томографія дає можливість досліджувати тонкі хімічні процеси в біотканинах людини. ЯМР- томографія має не лише великі діагностичні можливості, але й гарантує повну безпеку для пацієнта. Це метод візуалізації та точних вимірювань внутрішніх структур складних об'єктів без їх руйнування.