Apakah tomografi NMR?

Apakah tomografi NMR?

A. Varlamov, A. Rigamonti
"Kvant" №1, 2010

Hari ini ia menjadi kebiasaan untuk merujuk pesakit bukan pada radiografi, bukan pada elektrokardiogram, tetapi pada pengimejan NMR. Untuk memahami apa yang ada di balik kata-kata ini, seseorang itu harus bermula dari jauh, iaitu, dengan pemahaman tentang daya magnet nukleus atom. Tetapi sebelum itu, kita perlu memperkenalkan konsep penting yang tidak hadir dalam fisika sekolah utama.

Momen magnetik

Sifat magnetik litar rata kecil dengan arus yang diletakkan dalam medan magnet ditentukan oleh momen magnet semasa ini, sama dengan

Rajah. 1. Litar momen magnetik dengan arus. Imej: "Quant"

di mana Saya – semasa S – kawasan kontur – vektor yang normal kepada kontur, dibina mengikut peraturan gimlet (Rajah 1).

Khususnya, tenaga litar dalam medan magnet dengan induksi sama dengan

(paksi z diarahkan bersama ).

Untuk memutarkan kontur dengan perubahan unjuran vektor dari μz ke -μz perlu melakukan kerja A = 2μzB.

Satu elektron atom yang mengorbit di sekeliling nukleus atom boleh dianggap bersamaan dengan arus bulat dan menyifatkan momen magnetik itu. Kehadiran momen magnetik "orbital" seperti elektron yang muncul dalam perubahan dalam tenaga apabila atom diletakkan dalam medan magnet (formula untuk W).

Analisis yang teliti terhadap data eksperimen ternyata bahawa sifat-sifat sesuatu atom dalam medan magnet luar ditentukan bukan sahaja oleh pergerakan elektron di sekeliling nukleus, tetapi juga dengan adanya "putaran dalaman" yang tersembunyi dalam suatu elektron, yang dipanggil spin. Semua zarah asas mempunyai spin (untuk sesetengahnya, spin adalah sifar). Keamatan "putaran" digambarkan oleh nombor berputar syang hanya boleh keseluruhan atau separuh keseluruhan. Untuk elektron, proton, neutron s = 1/2. "Putaran dalaman", sama dengan orbit, membawa kepada kemunculan momen magnetik spin pada zarah. Unjuran masa magnet spin pada paksi z (arah medan magnet) mengambil nilai

μz = γmsћ ,

Rajah. 2 Hanya satu unjuran vektor momen magnetik yang tetap, dua yang lain berubah dengan pantas. Imej: "Quant"

di mana ћ = h/ (2π) adalah pemalar Planck, ms menerima nilai (2s + 1): -s, -s + 1, … , s – 1, sdan γ dipanggil faktor gyromagnetik. Vektor itu sendiri mempunyai modul yang lebih besar daripada unjuran maksimumnya: jadi. di semua negeri pegun terletak pada satu sudut ke paksi z dan dengan cepat berputar di sekeliling paksi ini: μz = const, μx dan μy berubah dengan pantas (Rajah 2). Untuk elektron, proton, neutron ms hanya menerima dua nilai: . Untuk elektron untuk proton . Malah neutron mempunyai momen magnetik spin, walaupun pada hakikatnya ia secara elektrik neutral pada keseluruhannya. (Ini menunjukkan bahawa neutron mesti mempunyai struktur dalaman. Seperti proton, ia terdiri daripada kuark dikenakan.) Untuk neutron .

Adalah dilihat bahawa momen magnetik proton dan neutron adalah tiga pesanan magnitud (-103) kurang daripada momen magnetik elektron (jisimnya kira-kira 2000 kali lebih besar). Mengenai magnitud yang sama, momen magnetik adalah untuk semua nukleus atom lain yang terdiri daripada proton dan neutron. Momen magnet semua nukleus diukur dengan ketepatan yang besar. Ia adalah kehadiran nuklei ini kecil (berbanding dengan atom) momen-momen magnetik, nilai-nilai yang berbeza untuk nuklei yang berlainan, dan mendasari fenomena NMR – resonans magnet nuklear, serta tomografi NMR. Kami akan membincangkan tentang nukleus hidrogen – proton, yang paling banyak tersebar di alam semula jadi. Isotop hidrogen adalah deuterium, nukleusnya juga mempunyai momen magnetik.

Apakah resonans magnetik nuklear?

Pertimbangkan nukleus atom hidrogen (proton) dalam medan magnet luaran . Proton boleh hanya dalam dua keadaan kuantum pegun: di salah satu daripada mereka unjuran momen magnetik ke arah medan magnet adalah positif dan sama dengan

dan yang lain – yang sama dalam nilai mutlak, tetapi negatif. Di negeri pertama, tenaga nuklear di medan magnet adalah sama dengan -μzBpada yang kedua +μzB. Pada mulanya, semua teras berada dalam keadaan yang pertama, dan untuk peralihan kepada negeri yang kedua nukleus, tenaga yang

ΔE = 2μzB.

Ia tidak sukar untuk memahami bahawa memaksa kernel untuk menukar arah masa magnet boleh, memberi kesan kepadanya sinaran elektromagnet frekuensi w, yang sepadan dengan peralihan antara negeri-negeri ini:

ћω = 2μzB.

Penggantian di sini momen magnetik proton, kita dapat

di mana untuk B = 1 T cari kekerapan gelombang: ν ≈ 4 · 107 Hz dan panjang gelombang yang sepadan: λ = dengan /ν ≈ 7 m – kekerapan biasa dan panjang gelombang penyiaran. Foton panjang gelombang ini diserap oleh nukleus dari flip satu momen magnet berhubung dengan arah medan. Oleh itu tenaga mereka dalam bidang itu meningkat hanya dengan jumlah yang bersamaan dengan tenaga foton.

Perhatikan bahawa dalam eksperimen NMR, iaitu. E. Typical purata jalur siaran radio frekuensi, gelombang elektromagnet yang digunakan bukan dalam bentuk yang kita digunakan apabila membincangkan penyebaran penyerapan cahaya atau pancaran cahaya dan atom.Dalam kes yang paling mudah, kita berhadapan dengan gegelung di mana aliran frekuensi radio bergantian yang dicipta oleh aliran penjana. Sampel yang mengandungi nukleus yang diselidiki, yang kami ingin dedahkan ke medan elektromagnet, diletakkan pada paksi gegelung. Paksi gegelung, pada gilirannya, diarahkan secara serentak ke medan magnet statik. B0 (yang terakhir dibuat menggunakan elektromagnet atau solenoid superconducting). Sebagai arus berselang-seli mengalir melalui gegelungnya, medan magnet bergantian didorong pada paksi. B1amplitudo yang dipilih jauh lebih kecil B0 (biasanya 10,000 kali). Bidang ini berayun dengan frekuensi yang sama dengan arus, iaitu dengan frekuensi radio penjana.

Sekiranya kekerapan penjana dekat dengan kekerapan yang dikira, maka penyerapan kuar cahaya yang kuat oleh nukleus hidrogen berlaku dengan peralihan nukleus ke keadaan dengan unjuran negatif μz (pusingan teras). Jika kekerapan penjana berbeza daripada yang dikira, maka penyerapan quanta tidak berlaku. Ia tepat berkaitan dengan pergantungan tajam (resonan) pada frekuensi medan magnet yang bergantian intensiti proses pemindahan tenaga dari medan ini ke nukleus atom, disertai dengan putaran momen magnet mereka, fenomena itu menerima nama resonans magnet nuklear (NMR).

Bagaimanakah seseorang dapat melihat pergolakan masa nuklear berkenaan dengan medan magnet statik? Dengan bersenjata dengan teknologi NMR moden, ternyata agak mudah: mematikan bidang penciptaan B1 sebuah penjana frekuensi radio, anda mesti secara serentak menyalakan penerima menggunakan gegelung yang sama sebagai antena. Pada masa yang sama, ia akan mendaftarkan gelombang radio yang dipancarkan oleh nukleus ketika mereka kembali ke orientasi asal mereka sepanjang padang. B0. Isyarat ini diinduksi dalam gegelung yang sama, dengan cara yang momen magnet sebelum ini teruja. Ketergantungan masa diproses oleh komputer dan diwakili dalam bentuk taburan spektrum yang sepadan.

Dari penerangan ini, anda boleh membayangkan bahawa spektrometer NMR sangat berbeza dengan spektrometer biasa, mengukur dalam pelbagai cahaya yang boleh dilihat.

Sehingga kini, kita telah mempertimbangkan gambaran ringkas: tingkah laku nukleus terpencil dalam medan magnet. Pada masa yang sama, adalah jelas bahawa dalam pepejal atau cecair nukleus tidak sepenuhnya terasing. Mereka boleh berinteraksi antara satu sama lain, serta dengan semua penggambaran lain, pengagihan tenaga yang ditentukan oleh suhu dan sifat-sifat statistik sistem.Interaksi penggambaran pelbagai sifat, asal dan dinamika mereka adalah subjek kajian fizik bahan pekat moden.

Bagaimana NMR ditemui

Isyarat pertama yang sesuai dengan resonans magnetik nuklear telah diterima lebih daripada enam puluh tahun yang lalu oleh kumpulan Felix Bloch di Oxford dan Edward Purcell di Harvard. Pada masa itu, kesukaran eksperimen adalah sangat besar. Semua peralatan itu dibuat oleh ahli sains sendiri di makmal. Jenis peralatan pada masa itu tidak dapat dibandingkan dengan instrumen NMR yang menggunakan superkonduktor solenoids hari ini, yang boleh dilihat di hospital atau klinik. Cukuplah untuk mengatakan bahawa magnet dalam eksperimen Purcell dicipta menggunakan skrap yang terdapat di pinggir Syarikat Trem Boston. Pada masa yang sama, ia telah dikalibrasi dengan sangat teruk bahawa medan magnet sebenarnya mempunyai magnitud yang lebih tinggi daripada yang diperlukan untuk membalikkan masa nuklear di bawah sinaran dengan gelombang radio dengan frekuensi ν = 30 MHz (frekuensi penjana radio).

Purcell dan pekerja mudanya mencari sia-sia untuk bukti bahawa fenomena resonans magnet nuklear berlaku dalam eksperimennya.Selepas beberapa hari percubaan yang tidak berbuah, Parcell yang kecewa dan sedih memutuskan bahawa fenomena NMR yang dia harapkan tidak dapat diperhatikan, dan mengarahkannya untuk mematikan bekalan semasa elektromagnet. Walaupun medan magnet berkurang, penguji yang kecewa terus melihat skrin oscilloscope, di mana sepanjang masa mereka berharap untuk melihat isyarat yang dikehendaki. Pada satu ketika, medan magnet mencapai magnitud yang diperlukan untuk resonans, dan isyarat NMR yang sama tiba-tiba muncul di skrin. Sekiranya bukan untuk peristiwa gembira, ia mungkin telah berlalu beberapa tahun sebelum keberadaan fenomena yang luar biasa ini akan disahkan secara eksperimen.

Dari sudut ini, teknik NMR mula berkembang. Ia telah menerima permohonan luas dalam penyelidikan saintifik dalam bidang fisika, kimia, biologi, metrologi, dan perubatan. Aplikasi yang paling terkenal adalah dengan menggunakan imej NMR organ-organ dalaman.

Bagaimanakah visualisasi organ-organ dalaman melalui NMR?

Setakat ini kita secara tersirat mengandaikan bahawa, dalam mengabaikan pengaruh arus elektron lemah dalam gegelung, medan magnet yang nuklei diletakkan adalah seragam, iaitu, ia mempunyai magnitud yang sama di semua titik.Pada tahun 1973, Paul Laterbur mencadangkan menjalankan kajian NMR, meletakkan sampel dalam medan magnet yang berbeza dari titik ke titik. Sudah jelas bahawa dalam kes ini frekuensi resonansi untuk nuklei yang dikaji berubah dari titik ke titik, yang membolehkan untuk menilai lokasi spatial mereka. Dan sejak keamatan isyarat dari rantau tertentu ruang adalah berkadar dengan jumlah atom hidrogen di rantau ini, kami memperoleh maklumat tentang pengedaran ketumpatan bahan di atas ruang. Sebenarnya ini adalah prinsip teknik penyelidikan NMR. Seperti yang anda lihat, prinsipnya adalah mudah, walaupun untuk mendapatkan imej sebenar organ-organ dalaman dalam praktik, adalah perlu untuk mendapatkan komputer berkuasa untuk mengawal denyutan frekuensi radio dan untuk memperbaiki metodologi untuk membuat profil medan magnet yang diperlukan dan memproses isyarat NMR dari gegelung untuk masa yang lama.

Rajah. 3 Dalam hal medan magnet seragam, terdapat satu isyarat NMR tunggal (a). Dalam hal bidang yang berbeza-beza, isyarat yang bersesuaian dengan teras yang terletak pada titik-titik yang berbeza mempunyai frekuensi yang sedikit berbeza, dan spektrum membenarkan kita menentukan koordinat mereka (b). Imej: "Quant"

Bayangkan bahawa sepanjang paksi x sfera kecil yang dipenuhi dengan air terletak (Gambarajah 3). Sekiranya medan magnet tidak bebas x, maka satu isyarat berlaku (lihat rajah 3, a). Lebih lanjut mengandaikan bahawa dengan menggunakan gegelung tambahan (berkenaan dengan yang mencipta utama, diarahkan sepanjang paksi z, medan magnet) kita membuat tambahan, berubah sepanjang paksi x, medan magnet B0, dan nilainya meningkat dari kiri ke kanan. Sudah jelas bahawa bagi sfera dengan koordinat yang berbeza, isyarat NMR kini akan sesuai dengan frekuensi yang berbeza dan spektrum yang diukur akan mengandungi lima puncak ciri (lihat Rajah 3, b). Ketinggian puncak ini akan berkadar dengan jumlah sfera (iaitu jisim air) yang mempunyai koordinat yang sama, dan oleh itu, dalam kes ini, intensiti puncak akan dirujuk sebagai 3: 1: 3: 1: 1. Mengetahui magnitud kecerunan medan magnet (iaitu, kadar perubahannya sepanjang paksi x), adalah mungkin untuk membayangkan spektrum frekuensi diukur dalam bentuk pergantungan ketumpatan atom hidrogen pada koordinat x. Dalam kes ini, boleh dikatakan bahawa di mana puncaknya lebih tinggi, bilangan atom hidrogen lebih tinggi: contohnya, bilangan atom hidrogen yang sepadan dengan kedudukan sfera sesungguhnya berkorelasi seperti 3: 1: 3: 1: 1.

Susun sekarang dalam medan magnet yang berterusan B0 beberapa konfigurasi sfera kecil yang penuh dengan air dan kami akan mengenakan medan magnet tambahan, mengubah sepanjang tiga paksi koordinat. Dengan mengukur spektra NMR rf dan mengetahui magnitud kecerunan medan magnet di sepanjang koordinat, seseorang boleh membuat peta tiga dimensi pengedaran sfera (dan, akibatnya, ketumpatan hidrogen) dalam konfigurasi di bawah kajian. Lebih sukar untuk melakukan ini daripada dalam kes satu dimensi yang dipertimbangkan di atas, tetapi ia secara jelas menunjukkan apa proses ini.

Teknik pemulihan imej, sama dengan yang kami nyatakan, dijalankan dengan tomografi NMR. Setelah menamatkan pengumpulan data, komputer, menggunakan algoritma yang sangat cepat, memulakan isyarat "pemprosesan" dan menetapkan sambungan antara keamatan isyarat yang diukur pada frekuensi tertentu dan ketumpatan atom bergema pada titik tertentu dalam tubuh. Pada akhir prosedur ini, komputer memvisualisasikan pada skrinnya sebuah "imej" dua dimensi (atau tiga dimensi) dari organ tertentu atau sebahagian daripada tubuh pesakit.

Menggambar "imej"

Untuk sepenuhnya menghargai hasil kajian NMR mengenai organ dalaman manusia (contohnya, pelbagai bahagian otak yang boleh diperolehi oleh pakar fizik hari ini tanpa menyentuh tengkorak!), Yang pertama sekali harus memahami bahawa ini adalah penciptaan semula imej "imej" dan tidak mengenai bayang-bayang sebenar yang timbul pada filem fotosensitif apabila sinaran X diserap dalam proses mengambil imej X-ray.

Mata manusia adalah sensor sensitif radiasi elektromagnet dalam jarak yang kelihatan. Nasib baik atau malangnya, sinaran yang berasal dari organ dalaman tidak sampai ke mata kita – kita melihat tubuh manusia hanya dari luar. Pada masa yang sama, seperti yang telah kita bincangkan, dalam keadaan tertentu, nukleus atom organ-organ dalaman tubuh manusia boleh memancarkan gelombang elektromagnetik dalam julat frekuensi radio (iaitu, frekuensi jauh lebih kecil daripada cahaya yang boleh dilihat), dan kekerapannya berbeza sedikit bergantung pada mata radiasi. Ia tidak dapat dilihat dengan mata, maka sinaran sedemikian didaftarkan dengan bantuan peralatan yang rumit, dan kemudian ia dikumpulkan ke dalam imej tunggal dengan bantuan pemprosesan komputer khas.Walau bagaimanapun, ia adalah visi sebenar di dalam sesuatu objek atau tubuh manusia.

Manusia telah mencapai kejayaan yang luar biasa kerana beberapa pencapaian asas pemikiran saintifik: ia adalah mekanik kuantum dengan teori momen magnetnya, dan teori interaksi radiasi dengan materi, dan elektronik digital, dan algoritma matematik untuk penukaran isyarat, dan teknologi komputer.

Kelebihan tomografi NMR berbanding dengan kaedah diagnostik lain banyak dan signifikan. Pengendali boleh dengan mudah memilih keratan rentas badan pesakit untuk mengimbas, dan juga dapat memeriksa beberapa bahagian organ terpilih pada masa yang sama. Khususnya, dengan memilih kecerunan medan magnet dengan sewajarnya, seseorang boleh mendapatkan bahagian menegak imej bahagian dalam tengkorak kami. Ini mungkin bahagian tengah atau bahagian berpindah ke kanan atau kiri. (Kajian sedemikian tidak praktikal dalam rangka radiografi X-ray.) Pengendali boleh menyempitkan medan pemerhatian dengan menggambarkan isyarat NMR yang berasal dari satu organ terpilih atau hanya dari satu bahagiannya, sehingga meningkatkan resolusi gambar.Kelebihan penting tomografi NMR juga kemungkinan pengukuran langsung kelikatan tempatan dan arah aliran darah, limfa dan cecair lain di dalam tubuh manusia. Dengan memilih nisbah yang diperlukan antara parameter yang sepadan, sebagai contoh, tempoh dan kekerapan denyutan, untuk setiap patologi pengendali dapat mencapai ciri optimum imej yang dihasilkan, katakan, meningkatkan kontrasnya (Rajah 4).

Rajah. 4 Imej-imej tengkorak dan tulang belakang, yang mempunyai ketepatan anatomi yang sangat baik, bergantung kepada kontras, menunjukkan tisu otak putih atau kelabu, tulang belakang dan cecair cerebrospinal. Imej: "Quant"

Meringkaskan, kita boleh mengatakan bahawa bagi setiap titik imej (piksel) sepadan dengan jumlah kecil objek yang sedang dikaji, adalah mungkin untuk mengekstrak pelbagai maklumat yang berguna, dalam beberapa kes termasuk pengedaran kepekatan unsur-unsur kimia tertentu dalam badan. Untuk meningkatkan sensitiviti pengukuran, iaitu, meningkatkan nisbah intensiti isyarat-ke-bunyi, seseorang itu perlu mengumpulkan dan jumlah sejumlah besar isyarat.Dalam kes ini, adalah mungkin untuk mendapatkan imej berkualiti tinggi yang menyampaikan realiti dengan secukupnya. Itulah sebabnya masa tomografi NMR agak lama – pesakit harus relatif masih dalam sel selama beberapa puluhan minit.

Pada tahun 1977, ahli fizik Inggeris, Peter Mansfield, memperoleh gabungan kecerunan medan magnet yang tidak memberikan kualiti imej yang sangat baik, tetapi membolehkan anda mendapatkannya dengan cepat: isyarat tunggal cukup untuk pembinaan yang betul (dalam praktiknya diperlukan kira-kira 50 milisaat). Dengan bantuan teknik itu – ia dipanggil echo planar – hari ini anda boleh mengikuti sentuhan jantung dalam masa nyata: dalam filem sedemikian, penyaringannya bergantian dengan kontraksi dan ekspansi.

Adakah mungkin untuk membayangkan pada awal penciptaan mekanik kuantum bahawa dalam masa seratus tahun perkembangan sains akan membawa kepada kemungkinan keajaiban seperti itu?

Harus diingat bahawa pada tahun 2003, Paul Lauterbur dan Peter Mansfield telah dianugerahkan Hadiah Nobel dalam bidang perubatan "untuk penemuan kaedah pencitraan resonans magnetik."


Like this post? Please share to your friends:
Tinggalkan Balasan

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: