Магнитный резонанс

Основы ЯМР

В сети Интернет в данный момент достаточно мало информации, где на простых практических опытах демонстрируется явление ЯМР, для не сильно подготовленной аудитории, например, для радиолюбителей. Восполним этот пробел. Вот видео наиболее интересного, классического эксперимента по ЯМР

Ядерный магнитный резонанс в земном поле за пять минут (попытки)

Вкратце ЯМР это резонанс атомов конкретно взятого вещества, на определенной частоте, находящегося в супер однородном магнитном поле определенной напряженности, идущей с поглощением этой радиочастоты. Поглощается радиочастота ядром атома примерно по тем же принципам как и поглощается радиочастота LC колебательным контуром с высокой (Q более 1000), но ограниченной добротностью, за счет чего излишки энергии переизлучаются атомом в виде тепла, на подобие как это происходит в не идеальном колебательном контуре или идеальном, но с параллельными и последовательными резисторами. Явление ЯМР можно наблюдать и без накачки, просто при смене сильного однородного поля на более слабое однородное поле повернутое на 90 градусов, годится даже откорректированное земное фоновое магнитное поле. Равномерность магнитного поля для обнаружения явления ЯМР в исследуемом образце крайне важна, так как ядерный магнитный резонанс очень узкий и при незначительной смене напряженности поля будет меняться и резонансная частота атомов, их фаза, что будет приводить к интерференции и уменьшению интенсивности частоты релаксации. При поглощении в неоднородном магнитном поле радиочастота будет поглощаться не всем объемом рабочего тела, а узким слоем, что может составлять менее 1% от рабочего тела, соответственно в однородном поле ЯМР будет наблюдаться у 100% атомов исследуемого вещества. В какой-то степени релаксационное излучение ядер атомов можно сравнивать со стрелкой компаса, которого извлекли из сильного поля и оставили в повернутом на 90 градусов, допустим фоновом поле. Стрелка будет испытывать колебания и чем слабее фоновое поле, тем ниже частота колебаний

Частоты ЯМР некоторых веществ в магнитном поле 2,3488 Тл

Атом Частота, МГц
Водород-1 100.000
Медь-63 26.505
Алюминий-27 26.057
Азот-15 10.133
Уран-235 1.790

подробнее

Имея таблицу с частотами ЯМР веществ при фиксированном значении магнитного поля можно легко вычислить ЯМР для более слабого или более сильного поля. Эта зависимость линейная. Так, если атом водорода при напряженности поля 2.3488 Тл резонирует на частоте 100 МГц, то при в 2 раза меньшей напряженности поля резонанс будет на в 2 раза меньшей частоте, т.е. при поле 1.1744 Тл резонанс атома водорода будет на частоте 50 МГц.

Явление ЯМР используется для бесконтактного анализа вещества методом ЯМР спектроскопии. На этом принципе работают медицинские томографы МРТ (Магнитная Резонансная Томография, правильнее ЯМРТ), позволяющие в отличие от КТ получать четкое изображение человеческого тела не прибегая к вредоносному рентгеновскому излучению, причем в отличие от КТ, которая создает трехмерное изображение основываясь только на плотности вещества, МРТ еще и определяет атомарный состав вещества, что позволяет отслеживать протекающие в теле химические процессы и тем самым выявлять самый широкий спектр заболеваний.

Спектральный анализ может быть осуществлен различными способами, например, если имеется две близкие радиочастоты, то эти радиочастоты можно пропустить через исследуемое вещество, находящееся в равномерном магнитном поле и по поглощению одной из радиочастот можно судить о том, что атомы образца имеют ЯМР на этой радиочастоте. Другой метод основан на смене напряженности магнитного поля и его вектора на 90 градусов и регистрации ответной радиочастоты релаксирующих ядер атомов. Если исследуемое вещество в постоянном магнитном поле имеет ЯМР на определенной частоте, поглощая эту частоту, то при смене напряженности поля и повороте его на 90 градусов, как правило при его уменьшении до фоновых значений, образец начинает сам излучать некую радиочастоту связанную с релаксацией атомов в слабом магнитном поле.

Более сложные спектры можно наблюдать в сложных молекулах, где наблюдается так называемый химический сдвиг, вызванный экранированием внешнего магнитного поля внутренним полем, образованным движением электрона вокруг ядра. При химическом сдвиге частота атома уходит в сторону на небольшую величину, от единиц герц, до сотен герц или килогерц от частоты не связанного атома чистого атомарного вещества. Подробнее можно прочесть в википедии

Компьютерный анализ спектров химических сдвигов используется в ЯМР спектроскопии сложных молекул

Ядерный магнитный резонанс для неспециалистов ( чайников )

Лекция-беседа о явлении магнитного резонанса (спектры и релаксация)

Spinus 2014 Чижик В. И.

Лекция-беседа о явлении магнитного резонанса (спектры и релаксация)

Основные явления, относящиеся к понятию «магнитный резонанс» – ядерный магнитный резонанс (ЯМР), электронный парамагнитный резонанс (ЭПР) и ядерный квадрупольный резонанс (ЯКР) – представляют собой интересные физические явления, связанные с излучением или поглощением электро-магнитных волн радиодиапазона при взаимодействии магнитных или электрических мультиполей ядер и электронов со статическими, переменными и флуктуирующими полями. Эти явления лежат в основе современных мощных методов исследования вещества на микро-, нано- и макро- уровнях. Целью этой лекции-беседы (конкретное изложение будет зависеть от интересов аудитории) является дать представление о ЯМР, ЭПР и ЯКР тем, кто приехал на Школу с «нулевыми» (или почти «нулевыми») знаниями о физике этих явлений, и, одновременно, оттенить те черты этих явлений, которые могут быть неизвестными или «слишком привычными» для широкого круга специалистов

Простая серийная лабораторная установка для студентов и простых экспериментов с ЯМР показана на видео

Простой учебный ЯМР-прибор для демонстрации эффекта ЯМР

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

Как самому собрать простой ЯМР спектрометр

Способов определения спектров ЯМР много. Например, как уже говорилось, можно пользоваться и эффектом поглащения радиочастоты на частоте ЯМР в магнитном поле. Однако чтобы изучить процесс шире и поставить определенные эксперименты прибор лучше делать методом детектирования частоты релаксации исследуемого образца. Для этого потребуется создать экранированный от электромагнитных наводок металлический не железный (не магнитный материал) шкаф. Слева и справа можно разместить две обмотки создающие поле первичной поляризации (сильное поле), а сверху и снизу размещают две обмотки создающие супер однородное поле для релаксации ядер атомов. Третья обмотка мотается, допустим на стакане, в котором будет размещаться исследуемый образец. Размещается эта обмотка в центре шкафа. К съемной обмотке можно подключить резонансный конденсатор, а можно этого и не делать, однако в случае такого конденсатора нужно учитывать, что будет наблюдаться и звон самого съемного колебательного контура. Съемный колебательный контур подключается через коаксиальной кабель к приемной аппаратуре находящейся в другом экранированном корпусе, находящемся рядом. В качестве приемной аппаратуры можно использовать даже радиоприемник на произвольной выбранной частоте или его блок усиления промежуточной частоты на 465 кГц или 10.7 МГц, но лучше самому собрать узкополосный усилитель, допустим с биквадратным перестраиваемым фильтром или узкополосный усилитель на любую оптимальную частоту лежащую в диапазоне от килогерц до мегагерц. Усилитель может выглядеть так

Научный прибор своими руками

Две внутренние обмотки для поля поляризации и поля релаксации подключают к блокам питания с вольтметрами и амперметрами и регулируемыми токами и/или напряжениями. На обмотку поляризации подается достаточно большой ток на короткое время, так как длительность поляризации не важна, а короткое время поляризации не позволит обмотке перегреться, даже если проходящий через нее ток будет достаточно большим. Вторая обмотка — обмотка поля релаксации может быть включена постоянно и она призвана создавать супер однородное не сильное поле, соизмеримое с земным фоновым или несколько большим. После выключения сильного поля поляризации образец оказывается в повернутом на 90 градусов поле релаксации заданным второй катушкой и начинает излучать радиочастоту, которую принимает приемная обмотка расположенная вокруг образца и подключенная к усилителю. Сигнал с усилителя можно наблюдать по осциллографу, лучше цифровому с режимом запоминания, так как длительность ЯМР звона в лучших случаях не превышает 1-2 секунды, но как правило меньше, хотя и должна быть больше, чем собственный звон приемной катушки

ЯМР в альтернативной энергетике

В альтернативной энергетике имеется несколько запатентованных изобретений, позволяющих получать энергию благодаря ЯМР. Однако отсутствие репликаций, практического использования и некоторые неточности делают эти патенты сомнительными документами.

Известен патент Michel Meyer — NMR Generator

Наибольшую известность имеют два патента по получению энергии на основе ЯМР

Французский патент FR2680613 Michel Meyer

Чешский патент. CZ 284333. ЯМР железа. 23.04.16

Первое, что бросается в глаза в чешском патенте это то, что речь идет о процессе ЯМР в атомах железа — 56 и превращении их в атомы железа — 54 в следствие низкоэнергетической ядерной реакции. Здесь явно присутствует ошибка или неточность в описании ( !!! ), так как ЯМР Fe56, так же как и Fe54 невозможен ( !!! ). Читаем краткую справку в википедии по изотопам железа и их спинам

Видим, что Fe-54 так же как и Fe56 имеют 0+ (нулевой спин), а ЯМР при нулевом спине невозможен, о чем также читаем в википедии в определении ЯМР

Однако с точки зрения LENR реакция может быть, хотя зачем тогда ЯМР непонятно

АТОМИСТИКА. ЯМР. ЧЕШСКИЙ ПАТЕНТ. 22.11.17

Более подробно на форуме: EnergyScience.ru

Есть патент РФ 2348051 способ и устройства множественной активации ионов в методах ЯМР и ЭПР. В изобретении используется единственный индуктор, который обеспечивает облучение образца на пульсирующим затухающем переменным магнитным полем, без необходимости применения второго, постоянного магнитного поля. В патенте сказано, что посредством короткого импульса менее 0.1 мс с током более 10000 ампер подаваемого на индуктор в образце возникают ядерные реакции и трансмутация элементов

Изобретение оказывает дистанционное каталитическое воздействие или обеспечивает активацию ядер, что способствует поддержанию, ускорению или инициации потенциальной химической или ядерной реакции, которая в противном случае либо не могла бы протекать, либо протекала бы в очень медленном ритме

Патент РФ 2348051 http://www.freepatent.ru/patents/2348051

Однако точность в описании процессов расписанная в патенте вызывает некоторые сомнения в плане его прямого отношения к ЯМР и ЭПР, а больше напоминает грубый малоизбирательный способ осуществления LENR по принципу лишь бы как

Среди альтернативщиков хорошо известно такое устройство как ТПУ Стивена Марка, однако на данное устройства нет известных патентов и никакой официальной информации и тем не менее информация об устройстве широко распространена и многие экспериментаторы пытаются его повторить. Результативность таких экспериментов противоречива, но есть смысл рассказать об основных принципах работы устройства. Устройство работает на перпендикулярных магнитных полях, что позволяет заподозрить в основе работы устройства вращение протонов атомов меди.

Схематично берется катушка индуктивности диаметром 10 см и количеством витков равное 40, намотанная литцендратом, это основная резонансная намотка, параллельно ей мотается обмотка в 40 витков намотанная одножильным проводом. Вокруг этого кольца наматываются 3-4 обмотки с количеством витков 5-10 толстого провода и подключаются эти обмотки к ключам, которые срабатывают по очереди, по принципу бегущего огня с небольшим нахлестом, создавая как бы вращающееся по кругу магнитное поле, частота вращения поля лежит в диапазоне 1.8-2.5 МГц.

Одна из возможных схем ТПУ Стивена Марка с обратной связью по питанию (самозапит) представлена ниже

Попытки запустить генератор Стивена Марка

Среди людей интересующихся альтернативной энергетикой хорошо известен такой деятель, как Роман Карнаухов, он же фигурирует под псевдонимом Акула.

На видео ниже он показывает в Германии кольцо Стивена Марка мощностью 1 Ватт в режиме самозапита, а далее разбирает его в присутствии интересующихся людей, чтобы показать отсутствии спрятанных химических источников энергии

Здесь Акула подробно рассказывает о принципе действия кольца ТПУ Стивина Марка

Однако, на данное время нет достоверных данных, о том, что кто-либо повторил работу этого устройства должным образом

О ЯМР в металлических проводниках и ферромагнетиках

Если в качестве исследуемого образца брать не жидкости или растворы солей металлов, а токопроводящие материалы, то излучение ЯМР этих образцов будет иметь свои особенности, при этом подойдет не любой способ исследования. Например, способ основанный на пропускании радиосгнала через образец может не дать корректного результата, так как металл может поглощать или отражать радиоволну исключительно за счет своих токопроводящих свойств, а не за счет ЯМР. В этом случае интересней способ основанный на поляризации образца в сильном поле и релаксации атомов образца в повернутом на 90 градусов слабом супер однородном магнитном поле. Но и здесь не все так просто.

Для примера возьмем медный цилиндр. Медь является диамагнетиком и в природе встречается 2 изотопа Cu-65 и Cu-63 в соотношении 27% к 73% соответственно. ЯМР этих изотопов имеет разные частоты. Медь-63 (Cu-63) имеет частоту ЯМР 26.505 МГц в поле напряженностью 2.3488 Тл

Слабые диамагнитные свойства меди делают ее легко проницаемой для постоянного магнитного поля, однако сигнал релаксации ядер цельного медного цилиндра может подавляться токами Фуко и сомнительно, что образец в виде цельного медного цилиндра даст хороший звон, способный выйти из образца ввиде переменного магнитного поля, это же явление делает неприменимым способ основанный на прохождении радиочастотного магнитного поля на частоте ЯМР сквозь образец. Поэтому проще всего исследовать раствор медной соли, например, хлорид меди или медный купорос. Но если нас интересует цельная металлическая медь, то форма образца играет большую роль.

Наиболее интересная версия заключается в том, чтобы образец сделать в форме катушки индуктивности, однако для чисто исследовательского эксперимента эту индуктивность не следует дополнять колебательным контуром, так как он будет давать самостоятельный звон при смене поля, который можно перепутать со звоном ЯМР. Провод лучше брать тонким, чтобы убрать токи Фуко. Длинна провода также важна и может быть достаточно большой, дабы увеличить количество вовлеченных в процесс ядер, но не столько большой, чтобы не начал проявляться волновой резонанс, который может также нарушить чистоту эксперимента. Чтобы еще больше увеличить количество вовлеченных в процесс ядер проводник можно сделать многожильным ввиде нескольких параллельных тонких проводов, так называемый литцендрат. В некоторых случаях для увеличения чистоты эксперимента все другие катушки в системе, кроме исследуемого образца необходимо выполнить из другово металла, не из меди, но и не из железа, например, подойдет золото или гораздо более дешевое серебро, алюминий также нежелателен, так как имеет близкие к меди частоты ЯМР. Как вариант исследуемый образец может выступать в качестве съемной катушки, однако это не следует делать основным способом, а делать лишь дополнительным экспериментом, так как собственные резонансные свойства съемной катушки могут сбивать общие показания

Магнитные свойства меди

Передача энергии через магнитные моменты атомов окружающего вещества

Владимир Ильич Бровин, инженер, изобретатель одноименного качера, имееющий несколько действующих патентов РФ 2075726, 2444124, 2551806

обнаружил, что энергия от одной катушки индуктивности задействованной в схеме качера к другой катушке индуктивности задействованной в схеме детекторного приемника мощности передается линейно, что противоречит законам Ампера и Био-Савара. После многочисленных экспериментов Бровин пришел к выводу, что энергия от одной катушки индуктивности к другой передается не только через магнитное поле, как это могло бы происходить в вакууме, а еще и через магнитные моменты атомов окружающего катушки вещества

Цитаты автора (В.И. Бровин) о работе качера

взято здесь:

— «Качер вызывает в течение единиц наносекунд «кивок» (так кратко я называю механическое перемещение магнитных моментов атомов вещества, совершающееся под действием магнитных полей в парамагнетиках, и прецессию, вызываемую в диамагнетиках) магнитных моментов атомов, составляющих окружающее индуктор пространство вдоль магнитных силовых линий, образуемых индуктором. Магнитные моменты кивают не одномоментно, а в течение некоторого промежутка времени, подобно падающим костяшкам домино, от более плотной упаковки в объеме вблизи индуктора, к более рыхлой вдали от него»

-«Я предполагаю, что вблизи индуктора должна быть максимальная концентрация кивков, возбуждаемых индуктором. Кивки передаются на периферию связанными магнитным полем цепочками, и поглощают энергию от индуктора в течение наносекунд, вызывая этим экстраток самоиндукции. Вдоль оси цепи, составленной из магнитных моментов атомов, удаляющихся от индуктора в периферию, напряженность магнитного поля больше, чем в других направлениях (в моем представлении магнитный момент атома – это логическая сумма составляющих атом магнетонов – квантовых констант). Плоскость рамки приемника, пересекающая некоторое количество цепочек, (магнитный поток) при приближении к индуктору захватывает большее количество цепочек, при удалении — меньшее. Этим и определяется прямо пропорциональная зависимость передачи энергии от индуктора к приемнику, что и подтверждается экспериментом»

-«Новый взгляд на явление появился, когда я понял, что следует учесть экстратоки самоиндукции. Экстраток – это такое же поглощение энергии, которое наблюдается при ядерном магнитном резонансе»

Формула открытия

— «Проводник, являющийся индуктивностью, с током продолжающимся от десятков и менее наносекунд, создает в окружающем пространстве намагниченность проявляющуюся в механическом изменении положения магнитных моментов атомов окружающего активную и приемную индуктивности вещества, и это позволяет передавать энергию от активной индуктивности к приемной не только через собственно магнитное поле активной индуктивности, но и от изменяющегося механического перемещения магнитных моментов окружающего индуктивности вещества. В результате изменение энергии в приемной индуктивности в зависимости от расстояния происходит по закону U=U0(1 – kX)»

Профессиональные ЯМР спектрометры

Профессиональные ЯМР спектрометры представляют собой сложные, крупногабаритные и дорогостоящие приборы. Среди них, например,

ЯМР-АНАЛИЗАТОР ХРОМАТЭК-ПРОТОН 20М

Внесён в Государственный реестр средств измерений РФ под № 24791-08.

ЯМР-анализатор ПРОТОН 20М предназначен для измерения амплитудно-релаксационных характеристик протоносодержащих веществ при контроле показателей качества продукции и параметров технологических процессов, позволяет проводить быстрое и неразрушающее исследование веществ в любом агрегатном состоянии.

Принцип действия ЯМР-анализатора ПРОТОН 20М основан на явлении резонансного поглощения веществом радиочастотной электромагнитной энергии импульсов.

Вещество в пробирке помещается в однородное магнитное поле. Спины ядер вещества начинают прецессировать вокруг направления магнитного поля с частотой ядерного магнитного резонанса. При приложении импульсов слабого радиочастотного излучения ориентация спина ядер изменяется. После окончания действия импульса ядра возвращаются в первоначальное состояние, испуская ЯМР-сигнал, который регистрируется анализатором. Амплитуда сигнала зависит от количества резонирующих ядер, а времена ядерной магнитной релаксации от окружающей структуры ядер образца. По амплитуде сигнала и временам релаксации можно судить о физико-химических свойствах исследуемых веществ

Подробнее

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР), явление резонансного поглощения радиочастотной электромагн. энергии в-вом с ненулевыми магн. моментами ядер, находящимся во внеш. постоянном мага. поле. Ненулевым ядерным магн. моментом обладают ядра 1Н, 2Н, 13С, 14N, 15N, 19F, 29Si, 31P и др. ЯМР обычно наблюдается в однородном постоянном магн. поле В0, на к-рое накладывается слабое радиочастотное поле В1 перпендикулярное полю В0. Для в-в, у к-рых ядерный спин I= 1/2 (1H, 13C, 15N, 19F, 29Si, 31P и др.), в поле В0 возможны две ориентации магн. дипольного момента ядра «по полю» и «против поля». Возникающие два уровня энергии Е за счет взаимод. магн. момента ядра с полем В0 разделены интервалом
При условии, что илигде h — постоянная Планка, v0 — частота радиочастотного поля В1, — круговая частота,— т. наз. гиромагн. отношение ядра, наблюдается резонансное поглощение энергии поля B1, названное ЯМР. Для нуклидов 1H, 13C, 31Р частоты ЯМР в поле В0= 11,7 Тл равны соотв. (в МГц): 500, 160,42 и 202,4; значения (в МГц/Тл): 42,58, 10,68 и 17,24. Согласно квантовой модели в поле В0возникает 2I+1 уровней энергии, переходы между к-рыми разрешены при где т — магн. квантовое число.

Техника эксперимента. Параметры спектров ЯМР. На явлении ЯМР основана спектроскопия ЯМР. Спектры ЯМР регистрируют с помощью радиоспектрометров (рис.). Образец исследуемого в-ва помещают как сердечник в катушку генерирующего контура (поле B1), расположенного в зазоре магнита, создающего поле В0так, что При наступает резонансное поглощение, что вызывает падение напряжения на контуре, в схему к-рого включена катушка с образцом. Падение напряжения детектируется, усиливается и подается на развертку осциллографа или записывающее устройство. В совр. радиоспектрометрах ЯМР обычно используют мага, поля напряженностью 1-12 Тл. Область спектра, в к-рой имеется детектируемый сигнал с одним или неск. максимумами, наз. линией поглощения ЯМР. Ширина наблюдаемой линии, измеренная на половине макс. интенсивности и выраженная в Гц, наз. шириной линии ЯМР. Разрешение спектра ЯМР — миним. ширина линии ЯМР, к-рую позволяет наблюдать данный спектрометр. Скорость прохождения — скорость (в Гц/с), с к-рой изменяется напряженность магн. поля или частота воздействующего на образец радиочастотного излучения при получении спектра ЯМР.

Схема спектрометра ЯМР: 1 — катушка с образцом; 2 — полюса магнита; 3 -генератор радиочастотного поля; 4 -усилитель и детектор; 5 — генератор модулирующего напряжения; 6 — катушки модуляции поля В0; 7 — осциллограф.

Поглощенную энергию система перераспределяет внутри себя (т. наз. спин-спиновая, или поперечная релаксация; характеристич. время Т2) и отдает в окружающую среду (спин-решеточная релаксация, время релаксации Т1). Времена Т1и Т2 несут информацию о межъядерных расстояниях и временах корреляции разл. мол. движений. Измерения зависимости Т1и Т2от т-ры и частоты v0 дают информацию о характере теплового движения, хим. равновесиях, фазовых переходах и др. В твердых телах с жесткой решеткой Т2 = 10 мкс, а Т1 > 103 с, т. к. регулярный механизм спин-решеточной релаксации отсутствует и релаксация обусловлена парамагн. примесями. Из-за малости Т2 естественная ширина линии ЯМР весьма велика (десятки кГц), их регистрация -область ЯМР широких линий. В жидкостях малой вязкости Т1T2и измеряется секундами. Соотв. линии ЯМР имеют ширину порядка 10-1 Гц (ЯМР высокого разрешения). Для неискаженного воспроизведения формы линии надо проходить через линию шириной 0,1 Гц в течение 100 с. Это накладывает существенные ограничения на чувствительность спектрометров ЯМР.
Основной параметр спектра ЯМР — хим. сдвиг- взятое с соответствующим знаком отношение разности частот наблюдаемого сигнала ЯМР и нек-рого условно выбранного эталонного сигнала к.-л. стандарта к частоте эталонного сигнала (выражается в миллионных долях, м. д.). Хим. сдвиги ЯМР измеряют в безразмерных величинах отсчитанных от пика эталонного сигнала. Если стандарт дает сигнал на частоте v0, то В зависимости от природы исследуемых ядер различают протонный ЯМР, или ПМР, и ЯМР13С (таблицы величин хим. сдвигов приведены на форзацах тома),. ЯМР19F (см. Фторорганические соединения), ЯМР31Р (см. Фосфорорганические соединения)и т. д. Величины обладают существенной характеристичностью и позволяют определять по спектрам ЯМР наличие определенных мол. фрагментов. Соответствующие данные о хим. сдвигах разл. ядер публикуются в справочных и учебных пособиях, а также заносятся в базы данных, к-рыми снабжаются совр. спектрометры ЯМР. В рядах близких по строению соединений хим. сдвиг прямо пропорционален электронной плотности на соответствующих ядрах.
Общепринятый стандарт для ПМР и ЯМР13С — тетраметилсилан (ТМС). Стандарт м. б. растворен в исследуемом р-ре (внутр. эталон) или помещен, напр., в запаянный капилляр, находящийся внутри ампулы с образцом (внеш. эталон). В качестве р-рителей могут использоваться лишь такие, чье собственное поглощение не перекрывается с областью, представляющей интерес для исследования. Для ПМР лучшие р-рители — те, что не содержат протонов (СС14, CDC13, CS2, D2O и др.).
В многоатомных молекулах ядра одинаковых атомов, занимающих химически неэквивалентные положения, имеют различающиеся хим. сдвиги, обусловленные различием магн. экранирования ядер валентными электронами (такие ядра наз. анизохронными). Для i-го ядра где- постоянная диамагн. экранирования, измеряемая в м. д. Для протонов типичный интервал изменений- до 20 м. д., для более тяжелых ядер эти интервалы на 2-3 порядка больше.
Важный параметр спектров ЯМР — константа спин-спинового взаимод. (константа ССВ) — мера непрямого ССВ между разл. магн. ядрами одной молекулы (см. Спин-спиновое взаимодействие); выражается в Гц.
Взаимод. ядерных спинов со спинами электронов, содержащимися в молекуле между ядрами i и j, приводят к взаимной ориентации этих ядер в поле В0 (ССВ). При достаточном разрешении ССВ приводит к дополнит. мультиплетности линий, отвечающих определенным значениям хим. сдвигов: где Jij — константы ССВ; Fij — величины, значения к-рых определяются спинами ядер i и j, симметрией соответствующего мол. фрагмента, диэдральными углами между хим. связями и числом этих связей между ядрами, участвующими в ССВ.
Если хим. сдвиги достаточно велики, т. е. min max (Jij), то ССВ проявляются в виде простых мультиплетов с биномиальным распределением интенсивностей (спектры первого порядка). Так в этильной группе сигнал метильных протонов проявляется в виде триплета с соотношением интенсивностей 1:2:1, а сигнал метиленовых протонов — в виде квадруплета с соотношением интенсивностей 1:3:3:1. В спектрах ЯМР13С метиновые группы — дублеты (1:1), а метиленовые и метильные — соотв. триплеты и квадруплеты, но с большими, чем в протонных спектpax, значениями констант ССВ. Хим. сдвиги в спектрах первого порядка равны интервалам между центрами мультиплетов, а Jij — расстояниям между соседними пиками мультиплета. Если условие первого порядка не выполняется, то спектры становятся сложными: в них ни один интервал, вообще говоря, не равен ни ни Jij. Точные значения параметров спектров получают из квантовомех. расчетов. Соответствующие программы входят в мат. обеспечение совр. спектрометров ЯМР. Информативность хим. сдвигов и констант ССВ превратила спектроскопию ЯМР высокого разрешения в один из важнейших методов качеств. и количеств. анализа сложных смесей, систем, препаратов и композиций, а также исследования строения и реакц. способности молекул. При изучении конформаций, вырожденных и др. динамич. систем, геом. структуры белковых молекул в р-ре, при неразрушающем локальном хим. анализе живых организмов и т. п. возможности методов ЯМР уникальны.

Ядерная намагниченность в-ва. В соответствии с распределением Больцмана в двухуровневой спин-системе из N спинов отношение числа спинов N+ на нижнем уровне к числу спинов N- на верхнем уровне равно где k — постоянная Больцмана; Т — т-ра. При В0 = 1 Тл и Т=300 К для протонов отношение N+/N-.= 1,00005. Это отношение и определяет величину ядерной намагниченности в-ва, помещенного в поле B0. Магн. момент m каждого ядра совершает прецессионное движение относительно оси z, вдоль к-рой направлено поле B0; частота этого движения равна частоте ЯМР. Сумма проекций прецессирующих ядерных моментов на ось z образует макроскопич. намагниченность в-ва Mz= 1018 В плоскости ху, перпендикулярной оси z, проекции векторов из-за случайности фаз прецессии равны нулю: Мxy = 0. Поглощение энергии при ЯМР означает, что в единицу времени с нижнего уровня на верхний переходит больше спинов, чем в обратном направлении, т. е. разность населенностей N+— N- убывает (нагрев спин-системы, насыщение ЯМР). При насыщении в стационарном режиме намагниченность системы может сильно возрасти. Это — т. наз. эффект Оверхаузера, для ядер обозначаемый NOE (Nuclear Overhauser effect), к-рый широко применяется для повышения чувствительности, а также для оценки межъядерных расстояний при изучении мол. геометрии методами спектроскопии ЯМР.

Векторная модель ЯМР. При регистрации ЯМР на образец накладывают радиочастотное поле , действующее в плоскости ху. В этой плоскости поле В1можно рассматривать как два вектора с амплитудами В1т/2, вращающихся с частотой в противоположных направлениях. Вводят вращающуюся систему координат x’y’z, ось х’ к-рой совпадает с вектором В1т/2, вращающимся в том же направлении, что и векторы Его воздействие вызывает изменение угла при вершине конуса прецессии ядерных магн. моментов; ядерная намагниченность Мz начинает зависеть от времени, а в плоскости х’у’ появляется отличная от нуля проекция ядерной намагниченности. В неподвижной системе координат эта проекция вращается с частотой т. е. в катушке индуктивности наводится радиочастотное напряжение, к-рое после детектирования и дает сигнал ЯМР — ф-цию ядерной намагниченности от частоты различают медленное изменение (свип-режим) и импульсный ЯМР. Реальное сложное движение вектора ядерной намагниченности создает в плоскости х’у’ два независимых сигнала: Мх, (синфазный с радиочастотным напряжением В1)и Му’ (сдвинутый относительно B1 по фазе на 90 °С). Одновременная регистрация Мх’и My’ (квадратурное детектирование) вдвое повышает чувствительность спектрометра ЯМР. При достаточно большой амплитуде В1тпроекции Мz = Мх’=Му’=0(насыщение ЯМР). Поэтому при непрерывном действии поля В1его амплитуда должна быть весьма малой, чтобы сохранить неизменными исходные условия наблюдения.
В импульсном ЯМР величина В1,наоборот, выбирается настолько большой, чтобы за время tиТ2отклонить во вращающейся системе координат вектор Mzот оси z на угол . При= 90° импульс называют 90°-ным (/2-импульс); под его воздействием вектор ядерной намагниченности оказывается в плоскости х’у’, т. е. После окончания импульса вектор My’ начинает убывать по амплитуде со временем Т2 благодаря расхождению по фазе составляющих его элементарных векторов (спин-спиновая релаксация). Восстановление равновесной ядерной намагниченности Мz происходит со временем спин-решеточной релаксации T1. При= 180° (импульс) вектор Mz укладывается вдоль отрицат. направления оси z, релаксируя после окончания импульса к своему равновесному положению. Комбинации иимпульсов широко используются в совр. многоимпульсных вариантах спектроскопии ЯМР.
Важной особенностью вращающейся системы координат является различие резонансных частот в ней и в неподвижной системе координат: если B1Влок(статич. локальное поле), то вектор М прецессирует во вращающейся системе координат относительно поля При точной настройке в резонанс частота ЯМР во вращающейся системе координат Это позволяет существенно расширить возможности ЯМР при исследовании медленных процессов в в-ве.

Спин-эхо. Если на спин-систeму наложить- и-импульсы, разделенные интервалом времени то через с после этого вектор Му’, частично распавшийся из-за T2-процессов (спин-спиновая релаксация) на веер векторов вновь соберется вдоль оси у’, образовав сигнал эха. Спин-эхо устраняет эффекты неоднородности условий резонанса, вызванные дефектами аппаратуры или образца, хим. сдвигами и т. п. Подробнее см. Спинового эха метод.

Фурье-спектроскопия. Одиночная линия ЯМР, сдвинутая на частоту относительно после 90°-ного импульса даст во вращающейся системе координат сигнал

где Фi — т. наз. фаза линии. Если линий не одна, а несколько и 90°-ный импульс достаточно короткий, т. е. где- интервал частот, на к-ром расположены эти линии (ширина спектра ЯМР), то в плоскости х’у’ возникнет «веер» сигналов Эти векторы, вращаясь с разными частотами, создают биения (интерферограмму). Фурье-образ интерферограммы есть искомый спектр ЯМР (с точностью до коррекции фаз линий Фi, чтобы все линии имели стандартную форму сигнала поглощения). Условия медленного прохождения выполняются при регистрации интерферограммы, т. е. для всех линий спектра одновременно. Поэтому фурье-спектроскопия тем выгоднее, чем более узкие линии надо регистрировать и чем шире интервал частот, на к-ром эти линии расположены. ЯМР-фурье-спектроскопия позволяет наблюдать спектры всех магн. ядер.

Двойной и тройной резонанс. Для упрощения сложных спектров ЯМР на образец накладывают второе радиочастотное поле В2, частота v2 к-рого совпадает с положением сигнала, мешающего расшифровке спектра. Амплитуда В2выбирается достаточной для насыщения переходов соответствующего ядра, т. е. z — проекция его спина обращается в нуль, устраняя ССВ этого ядра с др. ядрами молекулы. Если наложить на поле В2шумовую модуляцию, то достигается выключение ССВ всех ядер в выбранном спектральном интервале. Такое подавление широко применяют при наблюдении ЯМР13С и др. ядер. Методом тройного резонанса ЯМР13С-{1Н}-57Fе измерялись хим. сдвиги в орг. соед. железа. Применяют многочисленные разновидности множественных резонансов.

Двумерная и многомерная фурье-спектроскопия. Двумерная фурье-спектроскопия — естественное обобщение методов двойного резонанса. В одномерной спектроскопии спектр получают как фурье-образ отклика G(t) спин-системы на зондирующий импульс. В двумерной спектроскопии эксперимент начинается с приготовления спин-системы в нек-ром заданном состоянии посредством импульса или серии импульсов. Время эволюции системы после ее приготовления разбивается на равные интервалы После каждого i-го интервала t2i = ni xt2 (ni= 1, 2, 3, …, N2)производится обычная регистрация получившегося i-гo отклика Gi(t1). После N2 фурье-преобразований получают N2спектров, отображающих в частотной области (от спектра к спектру) эволюцию спин-системы на интервале t2. Эволюция каждого соответственного пика в этих спектрах создает интерферограмму Gj(t2). После необходимого числа фурье-преобразований получают двумерный спектр отображающий выбранные парные взаимод. в изучаемой системе. Чаще всего такой спектр изображают в виде карты, пики на к-рой окружены замкнутыми изолиниями. Двумерную спектроскопию ЯМР применяют для анализа протон-протонных, протон-углеродных, углерод-углеродных и т. п. спин-спиновых взаимод. в самых сложных молекулах, для исследования многопозиционного хим. обмена, структурного анализа белков в р-рах. Разбив при помощи удачно подобранной импульсной последовательности период эволюции на две части, вводят в эксперимент время t3 и переходят к 3-мерной спектроскопии; ведутся успешные работы по 4- и 5-мерной фурье-спектроскопии ЯМР.

Многоквантовая фильтрация. Использование импульсных последовательностей позволяет, помимо разрешенных переходов с наблюдать также первоначально запрещенные переходыm = 3 и т. д. (т. наз. n-квантовая фильтрация). При включении в схему эксперимента двухквантового фильтра из сложного спектра высокого разрешения будут удалены все линии первого порядка. Это существенно облегчает интерпретацию спектров олиго- и полипептидов и др. сложных молекул.

Хим. обмен и спектры ЯМР (динамич. ЯМР). Параметрами двухпозиционного обмена А В служат времена пребывания и а также вероятности пребывания иПри низкой т-ре спектр ЯМР состоит из двух узких линий, отстоящих на Гц; затем при уменьшении и линии начинают уширяться, оставаясь на своих местах. Когда частота обмена начинает превышать исходное расстояние между линиями, линии начинают сближаться, а при 10-кратном превышении образуется одна широкая линия в центре интервала (vA, vB), если При дальнейшем росте т-ры эта объединенная линия становится узкой. Сопоставление эксперим. спектра с расчетным позволяет для каждой т-ры указать точную частоту хим. обмена, по этим данным вычисляют термодинамич. характеристики процесса. При многопозиционном обмене в сложном спектре ЯМР теоретич. спектр получают из квантовомех. расчета. Динамич. ЯМР — один из осн. методов изучения стереохим. нежесткости, конформационных равновесий и т. п.

Механизмы релаксации. Релаксационная спектроскопия. Ядерная магн. релаксация обусловлена процессами обмена энергией между ядерными спинами. Переориентация спинов в поле В0происходит под действием флуктуирующих локальных магн. или электростатич. полей. В зависимости от механизма обмена энергией различают диполь-дипольную, квадрупольную, спин-вращательную и др. типы релаксации.
Поскольку разл. типы внутр. движений имеют разл. времена корреляции, они м. б. выявлены с помощью измерения зависимостей времен спин-решеточной и спин-спиновой релаксации Т1и Т2 от частоты магн. полей и т-ры. Измерения Т2и обнаружение максимумов скорости спин-решеточной релаксации позволяют отнести наблюдаемые изменения к конкретным типам движений специфич. мол. фрагментов, однозначно указывают на последовательность «размораживания» разл. типов подвижности. Смещения максимумов Т1-1при изменении В0 дают возможность измерить частоты соответствующих движений и на основании известных теоретич. моделей измерить термодинамич. параметры разл. процессов в изучаемом образце. В простых случаях, если доминирует диполь-дипольный механизм релаксации, то из данных релаксационной спектроскопии ЯМР извлекают сведения о межъядерных расстояниях в молекулах жидкостей.

Вращение под магическим углом. Выражение для потенциала диполь-дипольного взаимод. содержит множители где — угол между В0 и межъядерным вектором rij. При=arccos 3-1/2 = 54°44′ («магический» угол) эти множители обращаются в нуль, т. е. исчезают соответствующие вклады в ширину линии. Если закрутить твердый образец с очень большой скоростью вокруг оси, наклоненной под магич. углом к В0, то в твердом теле можно получить спектры высокого разрешения с почти столь же узкими линиями, как в жидкости.

Широкие линии в твердых телах. В кристаллах с жесткой решеткой форма линии ЯМР обусловлена статич. распределением локальных магн. полей. Все ядра решетки, за исключением кластера, в трансляционно-инвариантном объеме V0 вокруг рассматриваемого ядра, дают гауссово распределение g(v) = exp(-v2/2a2), где v — расстояние от центра линии; ширина гауссианы а обратно пропорциональна среднему геом. объемов V0 и V1,причем V1 характеризует среднюю по всему кристаллу концентрацию магн. ядер. Внутри V0 концентрация магн. ядер больше средней, и ближние ядра благодаря диполь-дипольному взаимод. и хим. сдвигам создают спектр, ограниченный на интервале (-b, b), где b примерно вдвое больше а. В первом приближении спектр кластера можно считать прямоугольником, тогда фурье-образ линии, т. е. отклик спин-системы на 90°-ный импульс будет

Параметры а и b позволяют определять координаты легких ядер, а их температурная зависимость — изучать динамику кристаллич. решетки, диффузию и др.

Квадрупольные эффекты. В твердых телах для ядер со спином I>1/2 возникают дополнит. уровни энергии. Если e2Qq < 1 МГц, где eQ — электрич. квадрупольный момент ядра, eq — градиент напряженности электрич. поля (ГЭП) на ядре, то для монокристалла наблюдается 2I-1 линий, расстояния между к-рыми закономерно меняются при изменении ориентации кристалла в поле В0. Из этих зависимостей находят положения главных осей тензора ГЭП, значения параметра его асимметрии и e2Qq. Выявляется хим. и кристаллографич. неэквивалентность. Это полезно при исследовании фазовых переходов и динамики решетки в сегнетоэлектриках, цеолитах и др. практически важных в-вах. Примеси, вакансии, дислокации, любые напряжения решетки создают на квадрупольных ядрах разброс ГЭП, размывая линии ЯМР. Если МГц, то в хороших кристаллах соответствующие переходы можно наблюдать без поля В0. Это ядерный квадрупольный резонанс.

Применение спектроскопии ЯМР. Спектроскопия ЯМР относится к неразрушающим методам анализа. Совр. импульсная ЯМР фурье-спектроскопия позволяет вести анализ по 80 магн. ядрам. ЯМР спектроскопия — один из осн. физ.-хим. методов анализа, ее данные используют для однозначной идентификации как промежут. продуктов хим. р-ций, так и целевых в-в. Помимо структурных отнесений и количеств. анализа, спектроскопия ЯМР приносит информацию о конформационных равновесиях, диффузии атомов и молекул в твердых телах, внутр. движениях, водородных связях и ассоциации в жидкостях, кето-енольной таутомерии, металлo- и прототропии, упорядоченности и распределении звеньев в полимерных цепях, адсорбции в-в, электронной структуре ионных кристаллов, жидких кристаллов и др. Спектроскопия ЯМР — источник информации о структуре биополимеров, в т. ч. белковых молекул в р-рах, сопоставимой по достоверности с данными рентгеноструктурного анализа. В 80-е гг. началось бурное внедрение методов спектроскопии и томографии ЯМР в медицину для диагностики сложных заболеваний и при диспансеризации населения.
Число и положение линий в спектрах ЯМР однозначно характеризуют все фракции сырой нефти, синтетич. каучуков, пластмасс, сланцев, углей, лекарств, препаратов, продукции хим. и фармацевтич. пром-сти и др.
Интенсивность и ширина линии ЯМР воды или масла позволяют с высокой точностью измерять влажность и масличность семян, сохранность зерна. При отстройке от сигналов воды можно регистрировать содержание клейковины в каждом зерне, что так же, как и анализ масличности, позволяет вести ускоренную селекцию с.-х. культур.
Применение все более сильных магн. полей (до 14 Тл в серийных приборах и до 19 Тл в эксперим. установках) обеспечивает возможность полного определения структуры белковых молекул в р-рах, экспресс-анализа биол. жидкостей (концентрации эндогенных метаболитов в крови, моче, лимфе, спинномозговой жидкости), контроля качества новых полимерных материалов. При этом применяют многочисленные варианты многоквантовых и многомерных фурье-спектроскопич. методик.
Явление ЯМР открыли Ф. Блох и Э. Пёрселл (1946), за что были удостоены Нобелевской премии (1952).

Э. И. Федин.

Что такое ЯМР-томография?

А. Варламов, А. Ригамонти
«Квант» №1, 2010

Сегодня уже стало привычным направлять пациента не на рентгенографию, не на электрокардиограмму, а на ЯМР-томографию. Для того чтобы разобраться, что стоит за этими словами, следует начать издалека, а именно с понимания того, что такое магнетизм атомного ядра. Но еще до этого нам надо ввести важные понятия, которые отсутствуют в основном курсе школьной физики.

Магнитный момент

Магнитные свойства маленького плоского контура с током, помещенного в магнитное поле, определяются магнитным моментом этого тока, равным

Рис. 1. Магнитный момент контура с током. Изображение: «Квант»

где I — ток, S — площадь контура, — вектор нормали к контуру, построенный по правилу буравчика (рис. 1).

В частности, энергия контура в магнитном поле с индукцией равна

(ось z направлена вдоль ).

Для поворота контура с изменением проекции вектора от μz до –μz надо совершить работу А = 2μzB.

Атомный электрон, движущийся по орбите вокруг атомного ядра, можно считать эквивалентным круговому току и приписать ему магнитный момент. Наличие такого «орбитального» магнитного момента у электрона проявляется в изменении его энергии при помещении атома в магнитное поле (формула для W).

При тщательном анализе экспериментальных данных оказалось, что свойства атома во внешнем магнитном поле определяются не только движением электрона вокруг ядра, но и наличием у электрона скрытого «внутреннего вращения», которое назвали спином. Спин есть у всех элементарных частиц (у некоторых спин равен нулю). Интенсивность «вращения» описывается спиновым числом s, которое может быть только целым или полуцелым. Для электрона, протона, нейтрона s = 1/2. «Внутреннее вращение», аналогично орбитальному, приводит к появлению у частицы спинового магнитного момента. Проекция спинового магнитного момента на ось z (направление магнитного поля) принимает значения

μz = γmsћ ,

Рис. 2. Только одна проекция вектора магнитного момента постоянна, две другие быстро меняются. Изображение: «Квант»

где ћ = h/(2π) — постоянная Планка, ms принимает (2s + 1) значений: –s, –s + 1, …, s – 1, s, а γ называют гиромагнитным фактором. Сам вектор имеет модуль больше, чем его максимальная проекция: , т. е. во всех стационарных состояниях расположен под углом к оси z и быстро вращается вокруг этой оси: μz = const, μx и μy быстро меняются (рис. 2). Для электрона, протона, нейтрона ms принимает всего два значения: . Для электрона , для протона . Спиновый магнитный момент есть даже у нейтрона, несмотря на то что он в целом электронейтрален. (Это свидетельствует о том, что нейтрон должен иметь внутреннюю структуру. Как и протон, он состоит из заряженных кварков.) Для нейтрона .

Видно, что магнитный момент протона и нейтрона на три порядка (–103) меньше, чем магнитный момент электрона (их масса примерно в 2000 раз больше). Примерно такой же по порядку величины магнитный момент должен быть у всех остальных атомных ядер, состоящих из протонов и нейтронов. Магнитные моменты всех ядер измерены с большой точностью. Именно наличие у ядер этих маленьких (в сравнении с атомными) магнитных моментов, значения которых различны для разных ядер, и лежит в основе явления ЯМР — ядерного магнитного резонанса, а также ЯМР-томографии. Мы в основном будем говорить о ядрах водорода — протонах, которые имеют наиболее широкое распространение в природе. Изотопом водорода является дейтерий, чье ядро также обладает магнитным моментом.

Что такое ядерный магнитный резонанс

Рассмотрим ядро атома водорода (протон) во внешнем магнитном поле . Протон может находиться только в двух стационарных квантовых состояниях: в одном из них проекция магнитного момента на направление магнитного поля положительна и равна

а в другом — такая же по модулю, но отрицательная. В первом состоянии энергия ядра в магнитном поле равна –μzB, во втором +μzB. Изначально все ядра находятся в первом состоянии, а для перехода во второе состояние ядру надо сообщить энергию

ΔE = 2μzB.

Нетрудно понять, что заставить ядро изменить направление своего магнитного момента можно, подействовав на него электромагнитным излучением с частотой ω, соответствующей переходу между этими состояниями:

ћω = 2μzB.

Подставляя сюда магнитный момент протона, получим

откуда для B = 1 Тл находим частоту волны: ν ≈ 4·107 Гц и соответствующую длину волны: λ = с/ν ≈ 7 м — типичные частота и длина волны радиовещательного диапазона. Фотоны именно этой длины волны поглощаются ядрами с переворотом магнитных моментов по отношению к направлению поля. При этом их энергия в поле повышается как раз на величину, соответствующую энергии такого кванта.

Отметим, что в экспериментах по ЯМР, т. е. для типичных частот среднего радио-вещательного диапазона, электромагнитные волны используются вовсе не в том виде, к которому мы привыкли при обсуждении распространения света или поглощения и излучения света атомами. В простейшем случае мы имеем дело с катушкой, по которой протекает созданный генератором переменный ток радиочастоты. Образец, содержащий исследуемые ядра, которые мы хотим подвергнуть воздействию электромагнитного поля, помещается на оси катушки. Ось катушки, в свою очередь, направлена перпендикулярно статическому магнитному полю B0 (последнее создается с помощью электромагнита или сверхпроводящего соленоида). При протекании по катушке переменного тока на ее оси индуцируется переменное магнитное поле B1, амплитуда которого выбирается гораздо меньшей величины B0 (обычно в 10000 раз). Это поле осциллирует с той же частотой, что и ток, т. е. с радиочастотой генератора.

Если частота генератора близка к вычисленной частоте, то происходит интенсивное поглощение ядрами водорода квантов света с переходом ядер в состояние с отрицательной проекцией μz (поворот ядер). Если же частота генератора отличается от вычисленной, то поглощения квантов не происходит. Именно в связи с резкой (резонансной) зависимостью от частоты переменного магнитного поля интенсивности процесса передачи энергии от этого поля ядрам атомов, сопровождаемое поворотом их магнитных моментов, явление получило название ядерного магнитного резонанса (ЯМР).

Как же можно заметить такие перевороты ядерных моментов по отношению к статическому магнитному полю? Будучи вооруженными современной техникой ЯМР, это оказывается совсем нетрудно: выключив создающий поле B1 генератор радиочастоты, следует одновременно включить приемник, использующий ту же катушку в качестве антенны. При этом он будет регистрировать радиоволны, излучаемые ядрами по мере их возвращения к первоначальной ориентации вдоль поля B0. Этот сигнал индуцируется в той же катушке, посредством которой ранее возбуждались магнитные моменты. Его временная зависимость обрабатывается компьютером и представляется в виде соответствующего спектрального распределения.

Из этого описания вы можете представить, что ЯМР-спектрометр весьма существенно отличается от привычных спектрометров, проводящих измерения в диапазоне видимого света.

До сих пор мы рассматривали упрощенную картину: поведение в магнитном поле изолированного ядра. В то же время понятно, что в твердых телах или жидкостях ядра совсем изолированными не являются. Они могут взаимодействовать между собой, а также и со всеми другими возбуждениями, распределение по энергиям которых определяется температурой и статистическими свойствами системы. Взаимодействия возбуждений различной природы, их происхождение и динамика являются предметом изучения современной физики конденсированного состояния.

Как был открыт ЯМР

Первые сигналы, соответствующие ядерному магнитному резонансу, были получены более шестидесяти лет назад группами Феликса Блоха в Оксфорде и Эдварда Парселла в Гарварде. В те времена экспериментальные трудности были огромны. Все оборудование изготавливалось самими учеными прямо в лабораториях. Вид аппаратов того времени несопоставим с сегодняшними (использующими мощные сверхпроводящие соленоиды) приборами ЯМР, которые можно увидеть в больницах или поликлиниках. Достаточно сказать, что магнит в экспериментах Парселла был создан с использованием утиля, найденного на задворках Бостонской трамвайной компании. При этом он был калиброван настолько плохо, что магнитное поле в действительности имело величину большую, чем требовалось для переворота ядерных моментов при облучении радиоволнами с частотой ν = 30 МГц (частота радиогенератора) .

Парселл со своими молодыми сотрудниками тщетно искали подтверждения того, что явление ядерного магнитного резонанса имело место в его экспериментах. После многих дней бесплодных попыток разочарованный и грустный Парселл решает, что ожидаемое им явление ЯМР не наблюдаемо, и дает указание выключить питающий электромагнит ток. Пока магнитное поле уменьшалось, разочарованные экспериментаторы продолжали глядеть на экран осциллографа, где все это время надеялись увидеть желанные сигналы. В некоторый момент магнитное поле достигло необходимой для резонанса величины, и на экране неожиданно появился соответствующий ЯМР сигнал. Если бы не счастливый случай, возможно прошли бы еще многие годы, прежде чем существование этого замечательного явления было бы подтверждено экспериментально.

С этого момента техника ЯМР стала бурно развиваться. Она получила широкое применение в научных исследованиях в областях физики конденсированного состояния, химии, биологии, метрологии и медицины. Наиболее известным применением стало получение с помощью ЯМР изображения внутренних органов.

Как осуществляется визуализация внутренних органов посредством ЯМР

До сих пор мы неявно предполагали, что, в пренебрежении влиянием слабых электронных токов в катушках, магнитное поле, в которое помещаются ядра, однородно, т. е. имеет одну и ту же величину во всех точках. В 1973 году Пол Латербур предложил проводить ЯМР-исследования, помещая образец в магнитное поле, меняющееся от точки к точке. Понятно, что в этом случае и резонансная частота для исследуемых ядер изменяется от точки к точке, что позволяет судить об их пространственном расположении. А поскольку интенсивность сигнала от определенной области пространства пропорциональна числу атомов водорода в этой области, мы получаем информацию о распределении плотности вещества по пространству. Собственно, в этом и заключается принцип техники ЯМР-исследования. Как видите, принцип прост, хотя для получения реальных изображений внутренних органов на практике следовало получить в распоряжение мощные компьютеры для управления радиочастотными импульсами и еще долго совершенствовать методологию создания необходимых профилей магнитного поля и обработки сигналов ЯМР, получаемых с катушек.

Рис. 3. В случае однородного магнитного поля имеется единственный ЯМР-сигнал (а). В случае же меняющегося в пространстве поля сигналы, соответствующие ядрам, расположенным в разных точках, имеют несколько отличающиеся частоты, и спектр позволяет определить их координаты (б). Изображение: «Квант»

Представим себе, что вдоль оси х расположены маленькие заполненные водой сферы (рис. 3). Если магнитное поле не зависит от х, то возникает одиночный сигнал (см. рис. 3, а). Далее предположим, что посредством дополнительных катушек (по отношению к той, которая создает основное, направленное по оси z, магнитное поле) мы создаем дополнительное, меняющееся вдоль оси х, магнитное поле B0, причем его величина возрастает слева направо. При этом понятно, что для сфер с различными координатами сигнал ЯМР теперь будет соответствовать различным частотам и измеряемый спектр будет содержать в себе пять характерных пиков (см. рис. 3, б). Высота этих пиков будет пропорциональна количеству сфер (т. е. массе воды), имеющих соответствующую координату, и, таким образом, в рассматриваемом случае интенсивности пиков будут относиться как 3:1:3:1:1. Зная величину градиента магнитного поля (т. е. скорость его изменения вдоль оси х), можно представить измеряемый частотный спектр в виде зависимости плотности атомов водорода от координаты х. При этом можно будет сказать, что там где пики выше, число атомов водорода больше: в нашем примере числа атомов водорода, соответствующих положениям сфер, действительно соотносятся как 3:1:3:1:1.

Расположим теперь в постоянном магнитном поле B0 некоторую более сложную конфигурацию маленьких заполненных водой сфер и наложим дополнительное магнитное поле, изменяющееся вдоль всех трех осей координат. Измеряя радиочастотные спектры ЯМР и зная величины градиентов магнитного поля вдоль координат, можно создать трехмерную карту распределения сфер (а следовательно, и плотности водорода) в исследуемой конфигурации. Сделать это гораздо сложнее, чем в рассмотренном выше одномерном случае, однако интуитивно понятно, в чем этот процесс заключается.

Техника восстановления образов, сходная с той, которую мы описали, и осуществляется при ЯМР-томографии. Закончив накопление данных, компьютер посредством весьма быстрых алгоритмов начинает «обработку» сигналов и устанавливает связь между интенсивностью измеренных сигналов при определенной частоте и плотностью резонирующих атомов в данной точке тела. В конце этой процедуры компьютер визуализирует на своем экране двумерное (или даже трехмерное) «изображение» определенного органа или части тела пациента.

Поразительные «образы»

Чтобы полностью оценить результаты ЯМР-исследования внутренних органов человека (например, различных сечений головного мозга, которые физик-медик сегодня может получить не дотрагиваясь до черепа!), следует прежде всего понимать, что речь идет о компьютерном воссоздании именно «образов», а не о реальных тенях, возникающих на фоточувствительной пленке при поглощении рентгеновских лучей в процессе получения рентгеновского снимка.

Человеческий глаз является чувствительным датчиком электромагнитного излучения в видимом диапазоне. К счастью или несчастью, излучения, происходящие от внутренних органов, до наших глаз не доходят — мы видим человеческие тела только извне. В то же время, как мы только что обсуждали, в определенных условиях ядра атомов внутренних органов человеческого тела могут излучать электромагнитные волны в диапазоне радиочастот (т. е. частот, гораздо меньших, чем для видимого света), причем частота слегка меняется в зависимости от точки излучения. Глазом его не увидеть, поэтому такое излучение регистрируется с помощью сложной аппаратуры, а затем собирается в единое изображение с помощью специальной компьютерной обработки. И тем не менее, речь идет о совершенно реальном видении внутренней части предмета или человеческого тела.

К такому поразительному успеху человечество пришло благодаря ряду фундаментальных достижений научной мысли: это и квантовая механика с ее теорией магнитного момента, и теория взаимодействия излучения с веществом, и цифровая электроника, и математические алгоритмы преобразования сигналов, и компьютерная техника.

Преимущества ЯМР-томографии по сравнению с другими диагностическими методами многочисленны и значительны. Оператор может легко выбирать, какие сечения тела пациента просканировать, а также может подвергать исследованию одновременно несколько сечений выбранного органа. В частности, выбирая соответствующим образом градиенты магнитного поля, можно получить вертикальные сечения изображения внутренностей нашего черепа. Это может быть центральное сечение или сечения, смещенные вправо или влево. (Такие исследования практически невозможны в рамках рентгеновской радиографии.) Оператор может «сужать» поле наблюдения, визуализируя сигналы ЯМР, происходящие только от одного выбранного органа или только от одной из его частей, увеличивая таким образом разрешение изображения. Важным преимуществом ЯМР-томографии является также и возможность прямого измерения локальной вязкости и направления течения крови, лимфы и других жидкостей внутри человеческого тела. Подбирая необходимое соотношение между соответствующими параметрами, например длительностью и частотой импульсов, для каждой патологии оператор может достигать оптимальных характеристик получаемого изображения, скажем, повышать его контрастность (рис. 4).

Рис. 4. Изображения черепа и позвоночного столба, которые с прекрасной анатомической точностью в зависимости от контраста показывают белую или серую ткань мозга, позвоночник и спинномозговую жидкость. Изображение: «Квант»

Суммируя, можно сказать, что для каждой точки изображения (пикселя), соответствующей крошечному объему исследуемого объекта, оказывается возможным извлечь различную полезную информацию, в некоторых случаях включая и распределение концентрации тех или иных химических элементов в организме. Для повышения чувствительности измерений, т. е. увеличения отношения интенсивности сигнала к шуму, следует накапливать и суммировать большое число сигналов. В этом случае удается получить качественное изображение, адекватно передающее реальность. Именно поэтому времена проведения ЯМР-томографии оказываются довольно большими — пациент должен относительно неподвижно пребывать в камере несколько десятков минут.

В 1977 году английский физик Питер Мэнсфилд придумал такую комбинацию градиентов магнитного поля, которая, не давая особенно хорошего качества изображения, тем не менее позволяет получать его чрезвычайно быстро: для соответствующего построения хватает единственного сигнала (на практике это занимает приблизительно 50 миллисекунд). С помощью такой техники — ее называют планарным эхом — сегодня можно следить за пульсациями сердца в реальном времени: в таком фильме на экране чередуются его сокращения и расширения.

Можно ли было представить себе на заре создания квантовой механики, что через сто лет развитие науки приведет к возможности таких чудес?

Нельзя не отметить, что в 2003 году Пол Лотербур и Питер Мэнсфилд были удостоены Нобелевской премии в области медицины «за изобретение метода магнитно-резонансной томографии».

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

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.

МРТ – магнитно-резонансная томография – это современный, безопасный (без ионизирующего излучения) и надёжный метод лучевой диагностики. МРТ является уникальным и практически не имеющим аналогов исследованием для диагностики заболеваний центральной нервной системы, позвоночника, мышечно – суставной системы и ряда внутренних органов.

Специальной подготовки к исследованию не требуется, за исключением обследования органов малого таза, когда требуется наполненный мочевой пузырь. Во время исследования пациент в горизонтальном положении помещается в узкий тоннель (трубу) с сильным магнитный полем приблизительно на 15 – 20 минут, в зависимости от вида исследования. Пациент должен сохранять полную неподвижность исследуемой анатомической области. Процедура МРТ безболезненна, однако сопровождается сильным шумом. Для уменьшения дискомфорта вам будут предложены наушники.

Так же возможен психологический дискомфорт из-за нахождения в замкнутом пространстве. Сопровождающие лица могут находиться в помещении МРТ (магнитно-резонансной томографии) с пациентом при условии отсутствия у них противопоказаний к нахождению в магнитном поле и после подписания информационного согласия на каждое лицо, находящегося в области магнитного излучения.

Магнитно-резонансная томография — МРТ — до и после.

Перед проведением МРТ исследования необходимо заполнить анкету, которая позволяет выявить наличие противопоказаний к процедуре. Противопоказаниями к проведению МРТ исследования являются: наличие у пациента кардиостимуляторов (водителей ритма сердца), слуховых аппаратов и имплантов неустановленного происхождения; неадекватное поведение больного (психомоторное возбуждение, паническая атака), состояние алкогольного или наркотического опьянения, клаустрофобия (боязнь и выраженный дискомфорт при нахождении в замкнутых пространствах), невозможность сохранять неподвижность в течение всего исследования (например, вследствие сильной боли или неадекватного поведения), необходимость постоянного мониторинга жизненно-важных показателей (ЭКГ, артериальное давление, частота дыхания) и проведения постоянных реанимационных мероприятий (например, искусственного дыхания).

При наличии в анамнезе хирургических операций и инородных тел (имплантов) необходим сертификат на вживлённый материал или справка от лечащего врача, выполнявшего оперативное вмешательство (вживление) о безопасности проведения МРТ исследования с данным материалом. Информация для пациентов женского пола: менструация, наличие внутриматочной спирали, а так же кормление грудью не являются противопоказаниями для исследования. Беременность рассматривается как относительное противопоказание, в связи, с чем требуется заключение врача-гинеколога о возможности проведения МРТ исследования. Окончательное решение об отказе пациенту от проведения МРТ исследования принимает непосредственно перед исследованием дежурный врач-рентгенолог МРТ.

В связи с наличием сильного магнитного поля в помещение МРТ запрещается провоз каталок для лежачих пациентов, кресел-каталок, вспомогательных устройств, для передвижения (костыли, трости, рамки), содержащих металлические компоненты. Личные вещи, украшения и ценности, одежда, содержащая металл и электромагнитные устройства не допускаются в комнату МРТ сканирования и могут быть оставлены в сейфе в помещении управления МРТ.
Магнитно-резонансная томография безвредна!

Пациенту необходимо знать, что магнито-резонансная томография, как исследование, обладает определёнными диагностическими пределами, а так же возможной ограниченной чувствительностью и специфичностью в диагностике патологических процессов. В связи с этим, а так же при наличии сомнений в целесообразности проведения исследования рекомендуется проконсультироваться с лечащим врачом или врачом МРТ. Решение о проведении МРТ исследования и выборе анатомической области исследования принимает сам пациент на основании направления от лечащего врача или по собственной инициативе. Перед проведением МРТ исследования пациент самостоятельно указывает анатомическую область исследования в письменной форме, тем самым, подтверждая необходимость исследования данной области. После проведения МРТ исследования претензии не принимаются, и оплата за МРТ исследование не возвращается.

В ряде случаев возникает диагностическая необходимость проведения МРТ исследования с внутривенным контрастным усилением. Данные исследования проводятся только по направлению лечащего врача или врача МРТ. Введение контрастного препарата содержит минимальный риск побочных реакций. Пациенту будет предложено заполнить дополнительную анкету – лист информационного согласия на внутривенное введение контрастного препарата. Противопоказаниями к проведению внутреннего контрастного усиления является беременность, кормление грудью, ранее выявленная повышенная чувствительность к препаратам данной группы, а так же почечная недостаточность.

Для повышения диагностической эффективности МРТ исследований пациентам рекомендуется приносить с собой данные предыдущих МРТ исследований, других методов лучевой, лабораторной или функциональной диагностики, а так же амбулаторные карты или направления от лечащих врачей с указанием области и цели исследования.
Наш центр оснащен магнитно-резонансным томографом Magnetom Harmony компании Siemens

В нашем центре проводятся МРТ исследования головного мозга (головы), позвоночника, суставов и всего тела. В нашей клинике установлен Магнитно-резонансный томограф на основе использования сверхпроводящего магнита с напряженностью поля 1.0 Тл.

Кроткий дизайн магнита (всего 160 см, включая кожух) и передне-фронтальный доступ к пациенту для обеспечения комфорта пациента, значительно снижая проблему клаустрофобии.

Набор высокопроизводительных градиентов (20 мТл/м со скоростью нарастания 50 Тл/м/сек, 30 мТл/м при 75 Тл/м/сек и 30 мТл/м при 125 Тл/м/сек по каждой из x, y, z осей), циркулярно-поляризованная технология мультиэлементных радиочастотных катушек, объединенных в единый виртуальный массив для их панорамного использования, и новейшие уникальные импульсные последовательности в их клинически ориентированной вариации (TrueFisp, VIBE, HASTE, EPI, PSIF-Diffusion и пр.) для проведения всевозможных рутинных и скоростных обследований как на задержке дыхания, так и без нее (нейро: голова и отделы позвоночника, ортопедия, абдоминальные, ангиографические и кардиологические обследования), но и протонную спектроскопию, функциональные исследования головного мозга и пр.

Сканер с технологией Maestro Class, позволяющей обеспечить интеллектуальность и экспертность МРТ (магнитно-резонансная томография) обследований (Inline обработка и коррекци я смещений в процессе сбора данных 1D, 2D, 3D PACE) и увеличить дополнительно скорость сбора данных с использованием iPAT технологии до 2-3-х раз. Как следствие, Maestro Сlass расширяет возможности существующих приложений и открывает новые.

Возможность получения срезов толщиной до 0.05 мм при минимальном поле обзора до 7 мм и пространственным разрешением до 7 мкм

Высокопроизводительная компьютерная система, обеспечивающая параллельно сбор данных и реконструкцию до 5-ти потоков данных. При этом сама реконструкция выполняется со скоростью 100 изображений/сек при истинной матрице 256х256.

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

В основе ЯМР используются сильные магнитные поля, а также радиоволны, которые позволяют сформировать изображение тела человека из отдельных изображений (сканов). Такая методика необходима для экстренной помощи пациентам с травмами и повреждением мозга, а также для плановой проверки. ЯМРТ называется избирательное поглощение электромагнитных волн веществом (телом человека), которое находится в магнитном поле. Это становится возможным при наличии ядер с ненулевым магнитным моментом. Сначала происходит поглощение радиоволн, затем происходит испускание радиоволн ядрами и они переходят на низкие энергетические уровни. Оба процесса можно зафиксировать при изучении и поглощении ядер. При ЯМР создается неоднородное магнитное поле. Нужно лишь настроить антенну-передатчик и приемник ЯМР-томографа на строго определенный участок тканей или органов и снимать показания с точек, меняя частоту приема волны.

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

  • Головной мозг.

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

  • Сердечно-сосудистая система.

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.

  • Опорно-двигательная система.

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

  • Внутренние органы.

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

Ядерная магнитно-резонансная томография представляет собой подобие рентгеновского аппарата, однако, принцип действия и возможности у нее несколько другие. МРТ помогает получить визуальную картинку головного и спинного мозга, других органов с мягкими тканями. С помощью томографии есть возможность измерить скорость кровотока, течения ликвора и спинномозговой жидкости. Также возможно рассмотреть, как активируется тот или иной участок коры головного мозга в зависимости от деятельности человека. Врач при проведении исследования видит объемное изображение, которое позволяет ему ориентироваться в оценке состояния человека.

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

  • При исследовании можно делать поле исследования уже, более тщательно наблюдая за сигналами ЯМР, которые исходят от конкретного органа или определенной его части. Это возможно сделать, увеличивая разрешение изображения.
  • Очень важным отличием ЯМР является возможность измерения направления течения различных жидкостей в теле человека, а также их локальной вязкости.
  • Подбирая нужное соотношение между определенными параметрами для каждой патологии, оператор МРТ достигает оптимальных параметров получаемого изображения.
  • К преимуществам можно отнести замену радиоволнами рентгеновского облучения. Поэтому снимается ограничение контингента обследуемых пациентов, то есть можно исследовать детей и беременных женщин. Также снижается лучевая нагрузка на врача, проводящего исследование.
  • Метод чувствителен к наличию в органах водорода и другим изотопам, что позволяет получить более контрастное изображение, так как на нем различные участки органов и тканей с разным уровнем водорода отображаются по-разному.
  • Процесс исследования не искажается фоном от костных тканей, потому что содержание в них водорода ниже, чем в органах.
  • Контрастность картинки повышается в зависимости от чувствительности молекул к различным химическим связям.
  • Сосудистое русло и параметры кровотока можно определить и без дополнительного контрастирования.
  • При помощи ЯМР-томографии можно увидеть объекты с размером даже в долю миллиметра. Также можно получать изображения как поперечных, так и продольных срезов.
  • Магнитно – резонансная диагностика не показала никакого негативного воздействия на плод в период беременности. Но все-таки лучше прибегать к такой процедуре следует при крайней необходимости.

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.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *