Co to za badanie? Jądrowy rezonans magnetyczny Częstotliwość rezonansowa jądra.

Te same jądra atomowe w różnych środowiskach cząsteczki wykazują różne sygnały NMR. Różnica pomiędzy takim sygnałem NMR a sygnałem substancji wzorcowej pozwala na wyznaczenie tzw. przesunięcia chemicznego, które wynika z budowy chemicznej badanej substancji. Techniki NMR dają wiele możliwości określenia struktury chemicznej substancji, konformacji molekularnych, efektów wzajemnego oddziaływania i przemian wewnątrzcząsteczkowych.

Fizyka NMR

Podział poziomów energii jądrowej za pomocą Ja = 1/2 w polu magnetycznym

Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego opiera się na właściwościach magnetycznych jąder atomowych, składających się z nukleonów o spinie półcałkowitym 1/2, 3/2, 5/2.... Jądra o parzystej liczbie mas i ładunków (parzysto-parzyste jądra) nie mają momentu magnetycznego, podczas gdy dla wszystkich pozostałych jąder moment magnetyczny jest różny od zera.

Zatem jądra mają moment pędu, powiązany z momentem magnetycznym zależnością

,

gdzie jest stałą Plancka, jest liczbą kwantową spinu i jest współczynnikiem żyromagnetycznym.

Moment pędu i moment magnetyczny jądra poddaje się kwantyzacji, a wartości własne rzutu zarówno momentów kątowych, jak i magnetycznych na oś z dowolnie wybranego układu współrzędnych wyznacza się z zależności

I ,

gdzie jest magnetyczna liczba kwantowa stanu własnego jądra, jej wartości są określone przez spinową liczbę kwantową jądra

oznacza to, że rdzeń może znajdować się w stanach.

Zatem dla protonu (lub innego jądra z Ja = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P itd.) może znajdować się tylko w dwóch stanach

,

taki rdzeń można przedstawić jako dipol magnetyczny, którego składnik z może być zorientowany równolegle lub antyrównolegle do dodatniego kierunku osi z dowolnego układu współrzędnych.

Należy zauważyć, że przy braku zewnętrznego pola magnetycznego wszystkie stany o różnych stanach mają tę samą energię, to znaczy są zdegenerowane. Degeneracja jest usuwana w zewnętrznym polu magnetycznym, a rozszczepienie względem stanu zdegenerowanego jest proporcjonalne do wielkości zewnętrznego pola magnetycznego i momentu magnetycznego stanu oraz dla jądra o spinowej liczbie kwantowej I w zewnętrznym polu magnetycznym pojawia się układ 2I+1 poziomy energii, czyli jądrowy rezonans magnetyczny ma tę samą naturę, co efekt Zeemana polegający na rozszczepieniu poziomów elektronowych w polu magnetycznym.

W najprostszym przypadku dla jądra o spinie c Ja = 1/2- na przykład dla protonu, rozszczepienie

oraz różnicę energii stanów spinowych

Częstotliwości Larmora niektórych jąder atomowych

Częstotliwość rezonansu protonowego mieści się w zakresie krótkich długości fali (długość fali około 7 m).

Zastosowania NMR

Spektroskopia

główny artykuł: Spektroskopia NMR

Urządzenia

Sercem spektrometru NMR jest potężny magnes. W eksperymencie wdrożonym po raz pierwszy przez Purcella, próbkę umieszczoną w szklanej ampułce o średnicy około 5 mm umieszcza się pomiędzy biegunami silnego elektromagnesu. Następnie ampułka zaczyna się obracać, a działające na nią pole magnetyczne stopniowo się wzmacnia. Jako źródło promieniowania wykorzystywany jest generator częstotliwości radiowej o wysokiej Q. Pod wpływem rosnącego pola magnetycznego jądra, do których dostrojony jest spektrometr, zaczynają rezonować. W tym przypadku ekranowane rdzenie rezonują z częstotliwością nieco niższą niż częstotliwość nominalna rezonansu (i urządzenia).

Absorpcja energii jest wykrywana przez mostek o częstotliwości radiowej, a następnie rejestrowana przez rejestrator. Częstotliwość jest zwiększana aż do osiągnięcia pewnej granicy, powyżej której rezonans jest niemożliwy.

Ponieważ prądy płynące z mostka są bardzo małe, nie ograniczają się one do pobrania jednego widma, ale przechodzą kilkadziesiąt przejść. Wszystkie odebrane sygnały są podsumowywane na końcowym wykresie, którego jakość zależy od stosunku sygnału do szumu urządzenia.

W tej metodzie próbkę poddaje się działaniu promieniowania o częstotliwości radiowej o stałej częstotliwości, podczas gdy natężenie pola magnetycznego jest zmienne, dlatego nazywa się ją również metodą stałego pola (CW).

Tradycyjna metoda spektroskopii NMR ma wiele wad. Po pierwsze, skonstruowanie każdego widma wymaga dużej ilości czasu. Po drugie, jest bardzo wymagający pod względem braku zakłóceń zewnętrznych i z reguły powstałe widma mają znaczny szum. Po trzecie, nie nadaje się do tworzenia spektrometrów wysokiej częstotliwości (300, 400, 500 i więcej MHz). Dlatego we współczesnych przyrządach NMR wykorzystuje się metodę tzw. spektroskopii pulsacyjnej (PW), bazującą na transformatach Fouriera odbieranego sygnału. Obecnie wszystkie spektrometry NMR budowane są w oparciu o silne magnesy nadprzewodzące o stałym polu magnetycznym.

W odróżnieniu od metody CW, w wersji impulsowej, jądra wzbudzane są nie „falą stałą”, lecz za pomocą krótkiego impulsu trwającego kilka mikrosekund. Amplitudy składowych częstotliwości impulsu zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości od ν 0 . Ponieważ jednak pożądane jest, aby wszystkie jądra były napromieniowane jednakowo, konieczne jest stosowanie „twardych impulsów”, czyli krótkich impulsów o dużej mocy. Czas trwania impulsu dobiera się tak, aby szerokość pasma częstotliwości była o jeden lub dwa rzędy wielkości większa niż szerokość widma. Moc sięga kilku watów.

W wyniku spektroskopii impulsowej nie otrzymuje się zwykłego widma z widocznymi pikami rezonansowymi, ale obraz tłumionych oscylacji rezonansowych, w którym mieszane są wszystkie sygnały ze wszystkich jąder rezonansowych - tzw. „swobodny rozpad indukcyjny” (FID, zanik indukcji swobodnej). Do transformacji tego widma stosuje się metody matematyczne, tzw. transformatę Fouriera, według której dowolną funkcję można przedstawić jako sumę zbioru drgań harmonicznych.

Widma NMR

Widmo 1H 4-etoksybenzaldehydu. W polu słabym (singlet ~9,25 ppm) sygnał pochodzi od protonu grupy aldehydowej, w polu silnym (triplet ~1,85-2 ppm) - od protonów grupy metyloetoksylowej.

Do analizy jakościowej za pomocą NMR wykorzystuje się analizę widm w oparciu o następujące niezwykłe właściwości tej metody:

• sygnały z jąder atomów należących do określonych grup funkcyjnych leżą w ściśle określonych obszarach widma;
• obszar całkowy ograniczony pikiem jest ściśle proporcjonalny do liczby rezonujących atomów;
• Jądra leżące przez 1-4 wiązania są zdolne do wytwarzania sygnałów multipletowych w wyniku tzw. rozstając się ze sobą.

Położenie sygnału w widmach NMR charakteryzuje się przesunięciem chemicznym względem sygnału odniesienia. Tetrametylosilan Si(CH3)4 stosuje się jako ten ostatni w 1H i 13C NMR. Jednostką przesunięcia chemicznego jest część na milion (ppm) częstotliwości instrumentu. Jeśli przyjmiemy sygnał TMS jako 0, a przesunięcie sygnału w słabe pole uznamy za dodatnie przesunięcie chemiczne, wówczas otrzymamy tzw. skalę δ. Jeśli rezonans tetrametylosilanu jest równy 10 ppm. i odwróć znaki, wówczas otrzymana skala będzie skalą τ, która obecnie praktycznie nie jest stosowana. Jeśli widmo substancji jest zbyt złożone, aby je zinterpretować, można zastosować metody chemii kwantowej do obliczenia stałych przesiewowych i na ich podstawie skorelować sygnały.

Introskopia NMR

Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego można wykorzystać nie tylko w fizyce i chemii, ale także w medycynie: organizm ludzki jest zbiorem tych samych cząsteczek organicznych i nieorganicznych.

Aby zaobserwować to zjawisko, obiekt umieszcza się w stałym polu magnetycznym i poddaje działaniu częstotliwości radiowej i gradientowych pól magnetycznych. W cewce indukcyjnej otaczającej badany obiekt powstaje zmienna siła elektromotoryczna (PEM), której widmo amplitudowo-częstotliwościowe oraz charakterystyka czasowo-niejedna niosą informację o gęstości przestrzennej rezonujących jąder atomowych, a także inne parametry charakterystyczne tylko dla magnetyczny rezonans jądrowy. Komputerowe przetwarzanie tych informacji generuje trójwymiarowy obraz, który charakteryzuje gęstość chemicznie równoważnych jąder, czasy relaksacji jądrowego rezonansu magnetycznego, rozkład szybkości przepływu płynu, dyfuzję cząsteczek i biochemiczne procesy metaboliczne w żywych tkankach.

Istotą introskopii NMR (czyli obrazowania metodą rezonansu magnetycznego) jest w istocie realizacja szczególnego rodzaju analizy ilościowej amplitudy sygnału jądrowego rezonansu magnetycznego. W konwencjonalnej spektroskopii NMR dąży się do uzyskania jak najlepszej rozdzielczości linii widmowych. Aby to osiągnąć, systemy magnetyczne są dostosowywane w taki sposób, aby uzyskać możliwie najlepszą jednorodność pola w próbce. Natomiast w metodach introskopii NMR wytworzone pole magnetyczne jest oczywiście nierównomierne. Zatem istnieją podstawy, aby oczekiwać, że częstotliwość jądrowego rezonansu magnetycznego w każdym punkcie próbki ma swoją wartość, różniącą się od wartości w innych częściach. Ustawiając dowolny kod gradacji amplitudy sygnałów NMR (jasność lub kolor na ekranie monitora), można uzyskać obraz warunkowy (

Magnetyczny rezonans jądrowy

Magnetyczny rezonans jądrowy (NMR) - rezonansowa absorpcja lub emisja energii elektromagnetycznej przez substancję zawierającą jądra o niezerowym spinie w zewnętrznym polu magnetycznym, o częstotliwości ν (zwanej częstotliwością NMR), w wyniku reorientacji momentów magnetycznych jąder. Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego zostało odkryte w 1938 roku przez Izaaka Rabiego w wiązkach molekularnych, za co w 1944 roku otrzymał Nagrodę Nobla. W 1946 roku Felix Bloch i Edward Mills Purcell uzyskali jądrowy rezonans magnetyczny w cieczach i ciałach stałych (Nagroda Nobla 1952). .

Te same jądra atomowe w różnych środowiskach cząsteczki wykazują różne sygnały NMR. Różnica pomiędzy takim sygnałem NMR a sygnałem substancji wzorcowej pozwala na wyznaczenie tzw. przesunięcia chemicznego, które wynika z budowy chemicznej badanej substancji. Techniki NMR dają wiele możliwości określenia struktury chemicznej substancji, konformacji molekularnych, efektów wzajemnego oddziaływania i przemian wewnątrzcząsteczkowych.

Opis matematyczny Moment magnetyczny jądra mu=y*l gdzie l jest spinem jądrowym; stała y-bar Częstotliwość, przy której obserwuje się NMR

Polaryzacja chemiczna jąder

Kiedy pewne reakcje chemiczne zachodzą w polu magnetycznym, w widmach NMR produktów reakcji wykrywana jest albo wyjątkowo duża absorpcja, albo emisja radiowa. Fakt ten wskazuje na nierównowagową populację jądrowych poziomów Zeemana w cząsteczkach produktów reakcji. Nadmiernej populacji niższego poziomu towarzyszy anomalna absorpcja. Odwrócona populacja (wyższy poziom jest bardziej zaludniony niż dolny) prowadzi do emisji radiowej. Zjawisko to nazywa się polaryzacja chemiczna jąder

W NMR służy do wzmocnienia namagnesowania jądrowego Częstotliwości Larmora niektórych jąder atomowych

rdzeń	Częstotliwość Larmora w MHz przy 0,5 Tesli	Częstotliwość Larmora w MHz przy 1 Tesli	Częstotliwość Larmora w MHz przy 7,05 Tesli
1H( Wodór)
²D ( Deuter)
13 C ( Węgiel)
23Na( Sód)
39 tys. ( Potas)

Częstotliwość rezonansu protonowego mieści się w zakresie krótkie fale(długość fali około 7 m) .

Zastosowania NMR

Spektroskopia

Spektroskopia NMR

Urządzenia

Sercem spektrometru NMR jest potężny magnes. W eksperymencie wdrożonym po raz pierwszy przez Purcella, próbkę umieszczoną w szklanej ampułce o średnicy około 5 mm umieszcza się pomiędzy biegunami silnego elektromagnesu. Następnie, aby poprawić równomierność pola magnetycznego, ampułka zaczyna się obracać, a działające na nią pole magnetyczne stopniowo się wzmacnia. Jako źródło promieniowania wykorzystywany jest generator częstotliwości radiowej o wysokiej Q. Pod wpływem rosnącego pola magnetycznego jądra, do których dostrojony jest spektrometr, zaczynają rezonować. W tym przypadku jądra ekranowane rezonują z częstotliwością nieco niższą niż jądra bez powłok elektronowych. Absorpcja energii jest wykrywana przez mostek o częstotliwości radiowej, a następnie rejestrowana przez rejestrator. Częstotliwość jest zwiększana aż do osiągnięcia pewnej granicy, powyżej której rezonans jest niemożliwy.

Ponieważ prądy płynące z mostka są bardzo małe, nie ograniczają się one do pobrania jednego widma, ale przechodzą kilkadziesiąt przejść. Wszystkie odebrane sygnały są podsumowywane na końcowym wykresie, którego jakość zależy od stosunku sygnału do szumu urządzenia.

W tej metodzie próbkę poddaje się napromieniowaniu falą radiową o stałej częstotliwości, przy czym natężenie pola magnetycznego jest zmienne, dlatego nazywa się ją również metodą napromieniania falą ciągłą (CW).

Tradycyjna metoda spektroskopii NMR ma wiele wad. Po pierwsze, skonstruowanie każdego widma wymaga dużej ilości czasu. Po drugie, jest bardzo wymagający pod względem braku zakłóceń zewnętrznych i z reguły powstałe widma mają znaczny szum. Po trzecie, nie nadaje się do tworzenia spektrometrów wysokiej częstotliwości (300, 400, 500 i więcej MHz). Dlatego we współczesnych przyrządach NMR wykorzystuje się metodę tzw. spektroskopii pulsacyjnej (PW), bazującą na transformatach Fouriera odbieranego sygnału. Obecnie wszystkie spektrometry NMR budowane są w oparciu o silne magnesy nadprzewodzące o stałym polu magnetycznym.

W odróżnieniu od metody CW, w wersji impulsowej, jądra wzbudzane są nie „falą stałą”, lecz za pomocą krótkiego impulsu trwającego kilka mikrosekund. Amplitudy składowych częstotliwości impulsu zmniejszają się wraz ze wzrostem odległości od ν 0 . Ponieważ jednak pożądane jest, aby wszystkie jądra były napromieniowane jednakowo, konieczne jest stosowanie „twardych impulsów”, czyli krótkich impulsów o dużej mocy. Czas trwania impulsu dobiera się tak, aby szerokość pasma częstotliwości była o jeden lub dwa rzędy wielkości większa niż szerokość widma. Moc sięga kilku tysięcy watów.

W wyniku spektroskopii impulsowej nie otrzymuje się zwykłego widma z widocznymi pikami rezonansowymi, ale obraz tłumionych oscylacji rezonansowych, w którym mieszane są wszystkie sygnały ze wszystkich jąder rezonansowych - tzw. „swobodny rozpad indukcyjny” (FID, bezpłatny wprowadzenie rozkład). Do transformacji tego widma stosuje się metody matematyczne, tzw. transformatę Fouriera, według której dowolną funkcję można przedstawić jako sumę zbioru drgań harmonicznych.

Widma NMR

Widmo 1H 4-etoksybenzaldehydu. W polu słabym (singlet ~9,25 ppm) sygnał pochodzi od protonu grupy aldehydowej, w polu silnym (triplet ~1,85-2 ppm) - od protonów grupy metyloetoksylowej.

Do analizy jakościowej za pomocą NMR wykorzystuje się analizę widm w oparciu o następujące niezwykłe właściwości tej metody:

sygnały z jąder atomów należących do określonych grup funkcyjnych leżą w ściśle określonych obszarach widma;

obszar całkowy ograniczony pikiem jest ściśle proporcjonalny do liczby rezonujących atomów;

Jądra leżące przez 1-4 wiązania są zdolne do wytwarzania sygnałów multipletowych w wyniku tzw. rozstając się ze sobą.

Położenie sygnału w widmach NMR charakteryzuje się przesunięciem chemicznym względem sygnału odniesienia. Tetrametylosilan Si(CH3)4 (TMS) stosuje się jako ten ostatni w 1H i 13C NMR. Jednostką przesunięcia chemicznego jest część na milion (ppm) częstotliwości instrumentu. Jeśli przyjmiemy sygnał TMS jako 0, a przesunięcie sygnału w słabe pole uznamy za dodatnie przesunięcie chemiczne, wówczas otrzymamy tzw. skalę δ. Jeśli rezonans tetrametylosilanu jest równy 10 ppm. i odwróć znaki, wówczas otrzymana skala będzie skalą τ, która obecnie praktycznie nie jest stosowana. Jeśli widmo substancji jest zbyt złożone, aby je zinterpretować, można zastosować metody chemii kwantowej do obliczenia stałych przesiewowych i na ich podstawie skorelować sygnały.

Introskopia NMR

Zjawisko magnetycznego rezonansu jądrowego można wykorzystać nie tylko w fizyce i chemii, ale także w medycynie: organizm ludzki jest zbiorem tych samych cząsteczek organicznych i nieorganicznych.

Aby zaobserwować to zjawisko, obiekt umieszcza się w stałym polu magnetycznym i poddaje działaniu częstotliwości radiowej i gradientowych pól magnetycznych. W cewce indukcyjnej otaczającej badany obiekt powstaje zmienna siła elektromotoryczna (PEM), której widmo amplitudowo-częstotliwościowe oraz charakterystyka czasowo-niejedna niosą informację o gęstości przestrzennej rezonujących jąder atomowych, a także inne parametry charakterystyczne tylko dla magnetyczny rezonans jądrowy. Komputerowe przetwarzanie tych informacji generuje trójwymiarowy obraz, który charakteryzuje gęstość chemicznie równoważnych jąder, czasy relaksacji jądrowego rezonansu magnetycznego, rozkład szybkości przepływu płynu, dyfuzję cząsteczek i biochemiczne procesy metaboliczne w żywych tkankach.

Istotą introskopii NMR (czyli obrazowania metodą rezonansu magnetycznego) jest w istocie realizacja szczególnego rodzaju analizy ilościowej amplitudy sygnału jądrowego rezonansu magnetycznego. W konwencjonalnej spektroskopii NMR dąży się do uzyskania jak najlepszej rozdzielczości linii widmowych. Aby to osiągnąć, systemy magnetyczne są dostosowywane w taki sposób, aby uzyskać możliwie najlepszą jednorodność pola w próbce. Natomiast w metodach introskopii NMR wytworzone pole magnetyczne jest oczywiście nierównomierne. Zatem istnieją podstawy, aby oczekiwać, że częstotliwość jądrowego rezonansu magnetycznego w każdym punkcie próbki ma swoją wartość, różniącą się od wartości w innych częściach. Ustawiając dowolny kod gradacji amplitudy sygnałów NMR (jasność lub kolor na ekranie monitora), można uzyskać konwencjonalny obraz (tomogram) przekrojów wewnętrznej struktury obiektu.

Introskopia NMR i tomografia NMR zostały po raz pierwszy wynalezione na świecie w 1960 roku przez V. A. Iwanowa. Niekompetentny ekspert odrzucił zgłoszenie wynalazku (metody i urządzenia) „...ze względu na oczywistą bezużyteczność proponowanego rozwiązania”, więc zaświadczenie o prawie autorskim na ten temat wydano dopiero ponad 10 lat później. Tym samym oficjalnie uznaje się, że autorem tomografii NMR nie jest zespół niżej wymienionych laureatów Nagrody Nobla, lecz rosyjski naukowiec. Pomimo tego faktu prawnego Nagrodę Nobla przyznano za tomografię NMR, a nie V. A. Iwanowowi.

Magnetyczny rezonans jądrowy
Magnetyczny rezonans jądrowy

Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR) – rezonansowa absorpcja fal elektromagnetycznych przez jądra atomowe, która zachodzi, gdy zmienia się orientacja wektorów ich własnego momentu pędu (spinów). NMR zachodzi w próbkach umieszczonych w silnym stałym polu magnetycznym i jednocześnie wystawionych na działanie słabego zmiennego pola elektromagnetycznego w zakresie częstotliwości radiowych (linie pola zmiennego muszą być prostopadłe do linii pola stałego). W przypadku jąder wodoru (protonów) w stałym polu magnetycznym o wartości 10 4 oerstedów rezonans zachodzi przy częstotliwości fali radiowej 42,58 MHz. Dla pozostałych jąder w polach magnetycznych o wartości 10 3 –10 4 oersted NMR obserwuje się w zakresie częstotliwości 1–10 MHz. NMR jest szeroko stosowany w fizyce, chemii i biochemii do badania struktury ciał stałych i złożonych cząsteczek. W medycynie NMR wykorzystuje się do uzyskania przestrzennego obrazu narządów wewnętrznych człowieka z rozdzielczością 0,5–1 mm.

Rozważmy zjawisko NMR na przykładzie najprostszego jądra – wodoru. Jądro wodoru to proton, który ma pewną wartość własnego mechanicznego momentu pędu (spinu). Zgodnie z mechaniką kwantową wektor spinu protonu może mieć tylko dwa wzajemnie przeciwne kierunki w przestrzeni, umownie oznaczane słowami „w górę” i „w dół”. Proton ma również moment magnetyczny, którego kierunek wektora jest ściśle powiązany z kierunkiem wektora spinu. Dlatego wektor momentu magnetycznego protonu może być skierowany „w górę” lub „w dół”. Zatem proton można przedstawić jako mikroskopijny magnes z dwiema możliwymi orientacjami w przestrzeni. Jeśli umieścisz proton w zewnętrznym stałym polu magnetycznym, wówczas energia protonu w tym polu będzie zależała od kierunku skierowanego jego momentu magnetycznego. Energia protonu będzie większa, jeśli jego moment magnetyczny (i spin) zostanie skierowany w kierunku przeciwnym do pola. Oznaczmy tę energię E ↓. Jeśli moment magnetyczny (spin) protonu jest skierowany w tym samym kierunku co pole, wówczas energia protonu, oznaczona jako E, będzie mniejsza (E< E ↓). Пусть протон оказался именно в этом последнем состоянии. Если теперь протону добавить энергию Δ Е = E ↓ − E , то он сможет скачком перейти в состояние с большей энергией, в котором его спин будет направлен против поля. Добавить энергию протону можно, “облучая” его квантами электромагнитных волн с частотой ω, определяемой соотношением ΔЕ = ћω.
Przejdźmy od pojedynczego protonu do makroskopowej próbki wodoru zawierającej dużą liczbę protonów. Sytuacja będzie wyglądać następująco. W próbce, w wyniku uśrednienia losowych orientacji spinów, po przyłożeniu stałego zewnętrznego pola magnetycznego pojawi się w przybliżeniu równa liczba protonów ze spinami skierowanymi „w górę” i „w dół” względem tego pola. Naświetlanie próbki falami elektromagnetycznymi o częstotliwości ω = (E ↓ − E )/ћ spowoduje „masowe” odwrócenie spinów (momentów magnetycznych) protonów, w wyniku czego wszystkie protony próbki znajdą się w stanie z rotacją skierowaną w stronę pola. Tak ogromnej zmianie orientacji protonów towarzyszyć będzie ostra (rezonansowa) absorpcja kwantów (i energii) promieniującego pola elektromagnetycznego. To jest NMR. NMR można obserwować jedynie w próbkach o dużej liczbie jąder (10 16), stosując specjalne techniki i bardzo czułe instrumenty.

NMR lub w języku angielskim obrazowanie NMR to skrót od wyrażenia „jądrowy rezonans magnetyczny”. Ta metoda badań weszła do praktyki lekarskiej w latach 80-tych ubiegłego wieku. Różni się od tomografii rentgenowskiej. Promieniowanie stosowane w NMR obejmuje fale radiowe o długości fali od 1 do 300 m. Analogicznie do tomografii komputerowej, nuklearna tomografia magnetyczna wykorzystuje automatyczne sterowanie skanowaniem komputerowym z przetwarzaniem warstwowych obrazów struktury narządów wewnętrznych.

Na czym polega istota obrazowania metodą rezonansu magnetycznego jądrowego?

NMR wykorzystuje silne pola magnetyczne oraz fale radiowe do stworzenia obrazu ludzkiego ciała na podstawie pojedynczych obrazów (skanów). Technika ta jest niezbędna w przypadku opieki doraźnej nad pacjentami z urazami i uszkodzeniami mózgu, a także podczas rutynowych badań. NMR to selektywna absorpcja fal elektromagnetycznych przez substancję (ciało ludzkie) znajdującą się w polu magnetycznym. Staje się to możliwe w obecności jąder o niezerowym momencie magnetycznym. Najpierw fale radiowe są absorbowane, następnie fale radiowe są emitowane przez jądra i przemieszczają się do niskich poziomów energii. Obydwa procesy można wykryć badając i absorbując jądra. NMR wytwarza niejednorodne pole magnetyczne. Wystarczy dostosować antenę nadajnika i odbiornik tomografu NMR do ściśle określonego obszaru tkanki lub narządów i dokonać odczytów z punktów, zmieniając częstotliwość odbioru fali.

Przetwarzając informacje ze zeskanowanych punktów, uzyskuje się obrazy wszystkich narządów i układów w różnych płaszczyznach, w przekroju powstaje trójwymiarowy obraz tkanek i narządów o wysokiej rozdzielczości. Technologia magnetycznej tomografii jądrowej jest bardzo złożona, opiera się na zasadzie rezonansowej absorpcji fal elektromagnetycznych przez atomy. Osoba zostaje umieszczona w urządzeniu wytwarzającym silne pole magnetyczne. Cząsteczki tam obracają się w kierunku pola magnetycznego. Następnie przeprowadza się skanowanie falą elektryczną, zmianę cząsteczek rejestruje się najpierw na specjalnej matrycy, a następnie przesyła do komputera i wszystkie dane są przetwarzane.

Zastosowania NMRI

Tomografia NMR ma dość szerokie zastosowanie, dlatego znacznie częściej stosowana jest jako alternatywa dla tomografii komputerowej. Lista chorób, które można wykryć za pomocą NMR jest bardzo obszerna.

• Mózg.

Najczęściej takie badanie służy do skanowania mózgu pod kątem urazów, nowotworów, demencji, epilepsji i problemów z naczyniami mózgowymi.

• Układ sercowo-naczyniowy.

W diagnostyce serca i naczyń krwionośnych NMR stanowi uzupełnienie metod takich jak angiografia i tomografia komputerowa.
Jądrowy MRI pozwala wykryć kardiomiopatię, wrodzoną chorobę serca, zmiany naczyniowe, niedokrwienie mięśnia sercowego, dystrofię oraz nowotwory serca i naczyń krwionośnych.

• Układ mięśniowo-szkieletowy.

Tomografia NMR znajduje również szerokie zastosowanie w diagnostyce schorzeń narządu ruchu. Dzięki tej metodzie diagnostycznej bardzo dobrze różnicowane są więzadła, ścięgna i struktury kostne.

• Narządy wewnętrzne.

Badając przewód pokarmowy i wątrobę za pomocą rezonansu magnetycznego jądrowego, można uzyskać pełne informacje o śledzionie, nerkach, wątrobie i trzustce. Jeśli dodatkowo wprowadzisz środek kontrastowy, możliwe stanie się śledzenie zdolności funkcjonalnej tych narządów i ich układu naczyniowego. Dodatkowe programy komputerowe umożliwiają tworzenie obrazów jelit, przełyku, dróg żółciowych i oskrzeli.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jądrowego i MRI: czy jest różnica?

Czasami nazwy MRI i NMR mogą być mylone. Czy jest różnica pomiędzy tymi dwiema procedurami? Odpowiedź może być jednoznaczna: nie.
Początkowo, w momencie swojego odkrycia, rezonans magnetyczny miał w nazwie jeszcze jedno słowo „jądrowy”, które z czasem zniknęło, pozostawiając jedynie skrót MRI.

Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jądrowego jest podobne do aparatu rentgenowskiego, jednak jego zasada działania i możliwości są nieco inne. MRI pomaga uzyskać wizualny obraz mózgu, rdzenia kręgowego i innych narządów z tkankami miękkimi. Za pomocą tomografii można zmierzyć prędkość przepływu krwi, przepływ płynu mózgowo-rdzeniowego i płynu mózgowo-rdzeniowego. Można również rozważyć, w jaki sposób dany obszar kory mózgowej jest aktywowany w zależności od aktywności człowieka. Podczas badania lekarz widzi trójwymiarowy obraz, który pozwala mu nawigować w ocenie stanu osoby.

Istnieje kilka metod badawczych: angiografia, perfuzja, dyfuzja, spektroskopia. Rezonans magnetyczny jądrowy jest jedną z najlepszych metod badawczych, gdyż pozwala uzyskać trójwymiarowy obraz stanu narządów i tkanek, co pozwala na trafniejsze postawienie diagnozy i dobranie odpowiedniego leczenia. Badanie NMR ludzkich narządów wewnętrznych przedstawia obrazy, a nie rzeczywistą tkankę. Obrazy pojawiają się na błonie światłoczułej, gdy promienie rentgenowskie są pochłaniane podczas wykonywania zdjęcia rentgenowskiego.

Główne zalety tomografii NMR

Zalety tomografii NMR w porównaniu z innymi metodami badawczymi są wieloaspektowe i znaczące.

Wady tomografii NMR

Ale oczywiście ta metoda nie jest pozbawiona wad.

• Wysokie zużycie energii. Działanie kamery wymaga dużej ilości energii elektrycznej i drogiej technologii dla normalnego nadprzewodnictwa. Jednak magnesy o dużej mocy nie mają negatywnego wpływu na zdrowie ludzkie.
• Czas trwania procesu. Obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego jądrowego jest metodą mniej czułą w porównaniu z promieniowaniem rentgenowskim. Dlatego też na transiluminację potrzeba więcej czasu. Ponadto zniekształcenie obrazu może wystąpić z powodu ruchów oddechowych, co zniekształca dane podczas prowadzenia badań płuc i serca.
• Jeśli cierpisz na taką chorobę jak klaustrofobia, jest to przeciwwskazaniem do wykonania badania MRI. Niemożliwe jest również przeprowadzenie diagnostyki za pomocą obrazowania NMR w przypadku obecności dużych metalowych implantów, rozruszników serca lub sztucznych rozruszników serca. W czasie ciąży diagnozę przeprowadza się tylko w wyjątkowych przypadkach.

Każdy najmniejszy obiekt w ludzkim ciele można zbadać za pomocą rezonansu magnetycznego. Tylko w niektórych przypadkach należy uwzględnić rozkład stężeń pierwiastków chemicznych w organizmie. Aby pomiary stały się bardziej czułe, należy zgromadzić i zsumować dość dużą liczbę sygnałów. W takim przypadku uzyskuje się wyraźny obraz wysokiej jakości, który odpowiednio oddaje rzeczywistość. Jest to również związane z długością czasu, jaki osoba spędza w komorze tomografii NMR. Będziesz musiał leżeć spokojnie przez dłuższy czas.

Podsumowując, możemy powiedzieć, że obrazowanie jądrowego rezonansu magnetycznego jest dość bezpieczną i całkowicie bezbolesną metodą diagnostyczną, która całkowicie pozwala uniknąć narażenia na promieniowanie rentgenowskie. Programy komputerowe umożliwiają przetwarzanie powstałych skanów w celu utworzenia wirtualnych obrazów. Granice NMR są naprawdę nieograniczone.

Już teraz ta metoda diagnostyczna stanowi zachętę do jej szybkiego rozwoju i szerokiego zastosowania w medycynie. Metodę wyróżnia niska szkodliwość dla zdrowia człowieka, ale jednocześnie pozwala dokładnie zbadać budowę narządów, zarówno u osoby zdrowej, jak i u tej z istniejącymi chorobami.