Главная | Обратная связь | Поможем написать вашу работу!
МегаЛекции

Глава 11. Локальная ЯМР спектроскопия и ее сочетание с функциями магнитно-резонансной томографии

ГЛАВА 10. СОВРЕМЕННЫЕ ПРОБЛЕМЫ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

Магнитно-резонансная томография является одним из методов медицинской интроскопии и реализует визуализацию внутренних органов тела человека или животных. Все методы томографии, кроме МРТ, а именно рентгеновская (компьютерная), акустическая, позитронно-эмиссионная, микроволновая и др. основаны на просвечивании объекта соответствующим излучением под разными углами с регистрацией поглощения по каждому из направлений и последующим решением обратной задачи восстановления морфологической картины плотности тканей внутри объекта. Магнитно-резонансная томография, основанная на явлении ядерного магнитного резонанса (ЯМР), осуществляет непосредственное получение данных о характеристиках каждого отдельного малого элемента внутри объекта, элемента, который настраивается на резонанс частоты прецессии ядер, находящихся в магнитном поле, с частотой внешнего радиооблучения. Физическая суть такого взаимодействия заключается в следующем. Магнитные моменты ядер атомов, входящих в состав молекул, образующих живые ткани, совершают прецессионное вращение вокруг силовых линий магнитного поля томографа подобно тому, как прецессирует ось механического волчка в гравитационном поле Земли. Частота прецессии намного меньше частоты вращения ядра вокруг собственной оси и находится в диапазоне частот радиоизлучений. Существует однозначная связь между частотой прецессионного вращения ν0 (так называемой ларморовской частотой) и величиной действующего магнитного поля В0 в виде ν0 = (γ/2π)B0 , где параметр γ называется гиромагнитным отношением, имеющим характерное значение для каждого атомного ядра. Так, например, для ядер водорода (протонов) частота ларморовской прецессии ν0 в магнитном поле величиной 1 Тл равна 42,58 МГц. При облучении прецессирующих в магнитном поле ядер электромагнитным излучением с резонансной (ларморовской) частотой происходит эффективная передача падающей электромагнитной энергии ансамблю выделенного типа замагниченных ядер. Это явление и носит название ядерного магнитного резонанса (ЯМР). После отключения внешнего электромагнитного поля энергия, накопленная ядерным ансамблем в процессе предшествующего облучения, излучается в свободное пространство на той же частоте магнитного резонанса. Происходит процесс релаксации, восстановления исходного состояния ядерного ансамбля, причем амплитуда релаксационного сигнала и время релаксации будут отличными для ядер, входящих в состав молекул различных тканей живого организма. Измеряя величину и время релаксации сигнала, можно идентифицировать вид ткани, из которой этот сигнал излучается. МРТ методика позволяет определять и локализацию источника релаксационного излучения за счет создания трехмерной неоднородности магнитного поля, имеющего резонансное ларморовское значение в небольшом объеме (вокселе) наблюдаемого объекта. Сканируя в пространстве распределение магнитных полей можно перемещать положение «резонансного» воксела и получать последовательно данные обо всех элементах объекта наблюдения, т.е. формировать 3Dизображение внутренних отделов объекта. Для создания магнитного поля в МРТ сканерах применяются постоянные магниты (до полей не выше 0.4 Тл) и криогенные сверхпроводящие катушки индуктивности, предназначенные для получения полей выше 0,5 Тл вплоть до 21 Тл. В медицинских томографах разрешается использовать пока поля не более 3 Тл. Существующие томографы медицинского назначения работают на ларморовской частоте протонов, которые входят во все основные ткани организма и формируют наиболее интенсивный сигнал релаксации, пропорциональный количеству взаимодействующих с радиоизлучением ядер. При этом надо иметь в виду, что для одних и тех же ядер (например, протонов), находящихся в различных по составу молекулах, ларморовская частота будет слегка отличаться и создавать так называемый «химический сдвиг», который, являясь характеристическим молекулярным признаком, служит фактором идентификации молекул в ЯМР спектроскопии. Физической причиной химического сдвига является то, что участвующее в резонансном взаимодействии атомное ядро имеет электродинамический контакт с электронными оболочками других атомов, содержащихся в молекуле и создающих внутримолекулярное магнитное поле, которое создает поправку к полю магнитной системы томографа в области резонирующего ядра и приводит к изменению ларморовской частоты. Поскольку молекулы отличаются по атомному составу, то и зарядовое окружение резонирующих ядер в разных молекулах будет различным, по-разному изменяя локальное магнитное поле и формируя разный по величине химический сдвиг.

 

ГЛАВА 11. ЛОКАЛЬНАЯ ЯМР СПЕКТРОСКОПИЯ И ЕЕ СОЧЕТАНИЕ С ФУНКЦИЯМИ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОЙ ТОМОГРАФИИ

Если в магнитно-резонансной томографии для получения изображений применяется пространственное сканирование градиентов магнитного поля при фиксированной частоте радиооблучения, то для реализации спектроскопии ЯМР, напротив, создаются условия максимальной однородности магнитного поля и осуществляется сканирование частоты возбуждающего ядерный ансамбль радиосигнала. Поскольку, как было показано, ларморовская частота ядер, находящихся в различных молекулах, отличается величиной химического сдвига, то посредством вариации радиочастоты можно настраиваться на ларморовские частоты ядер одного сорта (например, протонов), принадлежащих разным молекулам, и определять, таким образом, молекулярный состав исследуемого вещества. Спектр ЯМР неоднородного по составу вещества будет представлен набором спектральных линий, каждая из которых соответствует ларморовскому резонансу определенной молекулы.

Современные методы ЯМР используют импульсное переменное поле, которое позволяет осуществлять ядерные резонансные переходы в широкой полосе частот. После действия такого импульсного поля длительностью t происходит переворот магнитного момента, после чего амплитуда ядерной намагниченности уменьшается до нулевого значения по экспоненциальному закону. Этот спад намагниченности имеет характерное время T 2, которое называется временем поперечной релаксации. Это время определяет ширину резонансной линии спектра ЯМР D F, которая может быть получена методом Фурье-преобразования функции f(t), описывающей спад ядерной намагниченности: , , .

Величина ядерной намагниченности M определяется уравнением Блоха: , или в разложении по координатам эти уравнения можно записать в виде:

Современные спектрометры ЯМР имеют очень высокую разрешающую способность: при используемых в них магнитных полях от 10 до 21 Тл и соответствующей резонансной частоте от 400 до 1000 МГц спектральное разрешение может достигать сотых долей Гц, что соответствует относительной погрешности измерений на уровне 10-11. Это дает возможность выявить структуру не только простых, но и весьма сложных молекул, формирующих живые ткани и состоящих из десятков тысяч атомов, установить энергию взаимосвязи атомов и их расположение в пространстве. Если же обеспечить магнитно-резонансный томограф опцией ЯМР спектроскопии, то можно в режиме invivo определять молекулярный состав живых тканей. Сочетание МРТ и ЯМР спектральных измерений образует метод локальной ЯМР спектроскопии. При этом магнитно-резонансный томограф выделяет воксел в живой ткани, а ЯМР спектральные измерения дают информацию о молекулярном составе выделенного участка ткани. Таким образом, удается в живом организме определить тип наблюдаемой ткани и установить ее биологическое состояние, например, характер и степень развития новообразования (онкологического, доброкачественного, ишемического и др.), а также выявить метаболические процессы в нормальной или патологической ткани, т.е. определить локальный метаболический портрет, характеризующий течение биохимических превращений в данной области организма. Другое важное направление магнитно-резонансной томографии – молекулярная визуализация, обнаружение молекул введенных в организм лекарственных препаратов. С помощью МРТ визуализации можно определить, в какой отдел организма попадает фармпрепарат, если его молекулы содержат парамагнитный ион, создающий интенсивный контрастный отклик на МРТ изображении. Таким способом прослеживается путь целевой доставки наноконтейнеров, содержащих лекарственный препарат и снабженных парамагнитным маркером совместно с лигандом, закрепляющим биоконтейнер на заданном патологическом образовании. Особое место в диагностике метаболических процессов занимает мультиядерная МРТ в сочетании с локальной ЯМР спектроскопией, реализуемая не только на протонах, но и на более тяжелых ядрах – дейтерия, фтора, кислорода, фосфора, углерода и др. В отличие от обычных медицинских МРТ сканеров, настроенных только на ларморовскую частоту протонов, мультиядерные томографы позволяют визуализировать даже не содержащие протоны ткани и лекарственные препараты, наблюдать за метаболическими процессами, в которых участвуют молекулы с тяжелыми атомными ядрами. Значительное внимание уделяется новой фундаментальной программе использования фторуглеродных соединений в терапии и медицинской диагностике. Фтор отсутствует в организме человека и животных, поэтому введение фторуглеродного препарата (например, кровезаменителя Перфторан) легко обнаруживается с помощью томографа, настроенного на частоту ядер фтора, в тех органах, куда поступает фторный препарат. Метод локальной ЯМР спектроскопии может использоваться также как способ неинвазивного измерения температуры внутренних органов живого объекта. В основе метода лежит температурная зависимость химического сдвига, измеряя который можно определять температуру ткани в каждом выбранном вокселе и создавать параллельно МРТ изображению температурную карту внутренних органов. Изложение представленного материала лекций сопровождается описанием конкретных экспериментов, проведенных на спектрометрах (400 и 600 МГц) и томографах (с полем 0,5 и 7 Тл) Центра магнитной томографии и спектроскопии МГУ.

Поделиться:





Воспользуйтесь поиском по сайту:



©2015 - 2024 megalektsii.ru Все авторские права принадлежат авторам лекционных материалов. Обратная связь с нами...