- •Ядерный магнитный резонанс.
- •1.Ядерный магнетизм.
- •2.Ларморовская прецессия спина.
- •3.Ядерный парамагнетизм.
- •4.Ядерный ферромагнетизм.
- •5.История развития методов ямр в медицине .
- •6.Ямр первого рода.
- •7.Ямр второго рода.
- •8.Уравнение Блоха для установления статистического равновесия.
- •9.Импульсные последовательности в ямр-томографах.
- •10.Устройство томографа.
8.Уравнение Блоха для установления статистического равновесия.
Случай 1: пусть
высокочастотное магнитное поле перевело
магнито-дипольный момент ядра в инверсное
состояние (в сторону, против z).
Выключим высокочастотное поле и
посмотрим, как будет меняться момент
.
Магнитный момент во вращательной системе
координат
при
переходе в лабораторную систему
координат, которая вращается вокруг z,
вектор
не изменяется
.
определяется процессом установления
статистического равновесия, для
статистическое равновесие возникает,
когда
ориентировано
по оси z.
где
-
характерное время продольной
релаксации в этом случае, (меняется
продольная компонента вектора). Итак,
первый механизм – продольный.
где
- ширина продольной релаксации,
-
вероятность изменения в единицу времени
(константа перехода). Получаем закон
релаксации, полученный Блохом:
(8.5)
Интегрируя это уравнение, получаем его решение:
перепишем
(8.5):
(8.6) – релаксационное
уравнение, при
(по
z).
Перевели магнито-дипольный
момент в сторону –z. У
этого момента появляется энергия
возникает положительная энергия
магнито-дипольного момента. В состоянии
равновесия
то
есть гораздо меньше. Тем самым из-за
обычной термодинамики неравновесное
состояние переходит в равновесное.
Ядро с моментом
в неравновесном состоянии взаимодействует
с термостатом, то есть с окружающей
ядро средой, имеющей температуру.
Распределение Гиббса :
Термостат
– нагретая система ядер. При столкновениях
ядер меняется проекция спина ядра на
ось z, значит формируется
равновесное распределение – распределение
Гиббса.
Напоминаем, что это случай при !
В этой ситуации происходит обычная термодинамическая релаксация, которую Блохх назвал «спин-решеточная» релаксация, потому что меняется направление спинов, из-за которого переходим к равновесному распределению. Термостат в этом случае он и подразумевал как «решетку». У твердого образца имеется кристаллическая структура в узлах кристаллической решетки которой ядра взаимодействуют друг с другом.
Случай 2: поворачиваем в направлении оси y в высокочастотном магнитном поле.
(8.7)
При переходе в
лабораторную систему координат вектор
переходящий
в
вращается
в плоскости xy, проекция
на z при этом равна нулю,
(то есть вектор перпендикулярен к оси
z).
,
энергия этого магнито-дипольного момента
в поле
равна
нулю.
(8.8)
Через энергию обычных столкновений перейти в равновесное состояние нельзя. Механизм, связанный с в этом случае не работает, но переход в равновесное состояние у этого вектора должен быть. 2 механизм – поперечный механизм релаксации.
(8.9)
(8.9) – уравнение Блоха
для поперечной релаксации, где
-
время поперечной релаксации.
Энергия, которая дает
релаксацию для поперечного направления
-
,
эта энергия зависит от взаимодействия
магнито-дипольных моментов ядер. Полная
энергия дается энергией парных
взаимодействий (спин-спиновое
взаимодействие ядер):
.
-
поворот магнито-дипольного момента
вдоль x, поле включается
по y.
,
решая это уравнение, получим:
(8.10) – закон
поперечной релаксации, где
определяется
энергией взаимодействия ядер между
собой, поэтому эту релаксацию называют
«спин-спиновой».
Вся томография связана с тем, что разные органы и ткани имеют разные и , диагностика идет по параметрам и . Метод называется двумерной томографией (анализ тканей по двум параметрам).
Времена релаксации и для биологических тканей.
Характерное
от
0,05 до 1 секунды, в жирах от 0,15 до 0,5 секунд,
в церебральных жидкостях 2-3 секунды,
чуть ниже она в растворах, а в твердых
телах, таких как, к примеру, костный
мозг, достигает минут. Как правило
зависит от ларморовской частоты
,
а соответственно и от поля
.
