Реферат: Магниторезонансная томография

В этой молекуле три типа протонов: три протона метильной группы CH₃ -, два протона метиленовой группы - CH₂ - и один протон гидроксильной группы - OH. Видно, что три отдельных сигнала соответствуют трем типам протонов. Так как интенсивность сигналов находится в соотношении 3:2: 1, то расшифровка спектра (отнесение сигналов) не представляет труда.

Рисунок 2.2.2 - Спектр протонного резонанса жидкого этилового спирта, снятый при низком разрешении.

Поскольку химические сдвиги нельзя измерять в абсолютной шкале, то есть относительно ядра, лишенного всех его электронов, то в качестве условного нуля используется сигнал эталонного соединения. Обычно значения химического сдвига для любых ядер приводятся в виде безразмерного параметра d, определяемого следующим образом:

. (7)

В реальных условиях эксперимента более точно можно измерить частоту, а не поле, поэтому d обычно находят из выражения:

, (8)

где  - _ЭТ есть разность химических сдвигов для образца и эталона, выраженная в единицах частоты (Гц); в этих единицах обычно производится калибровка спектров ЯМР.

Строго говоря, следовало бы пользоваться не ₀ - рабочей частотой спектрометра (она обычно фиксирована), а частотой _ЭТ, то есть абсолютной частотой, на которой наблюдается резонансный сигнал эталона. Однако вносимая при такой замене ошибка очень мала, так как ₀ и _ЭT почти равны (отличие составляет 10^-5, то есть на величину а для протона). Поскольку разные спектрометры ЯМР работают на разных частотах ₀ (и, следовательно, при различных полях H₀), очевидна необходимость выражения в безразмерных единицах.

За единицу химического сдвига принимается одна миллионная доля напряженности поля или резонансной частоты (м.д.). В зарубежной литературе этому сокращению соответствует ppm (parts per million). Для большинства ядер, входящих в состав диамагнитных соединений, диапазон химических сдвигов их сигналов составляет сотни и тысячи м.д., достигая 20000 м.д. в случае ЯМР ⁵⁹Co (кобальта). В спектрах ¹H сигналы протонов подавляющего числа соединений лежат в интервале 0-10 м.д. [10]

.3 Спин-спиновое взаимодействие

В 1951-1953 годах при записи спектров ЯМР ряда жидкостей обнаружилось, что в спектрах некоторых веществ больше линий, чем это следует из простой оценки числа неэквивалентных ядер. Один из первых примеров - то это резонанс на фторе в молекуле POCI₂F. Спектр ¹⁹F состоит из двух линий равной интенсивности, хотя в молекуле есть только один атом фтора (рис. 2.3.1). Молекулы других соединений давали симметричные мультиплетные сигналы (триплеты, квартеты и т.д.).

Рисунок 2.3.1 - Дублет в спектре резонанса на ядрах фтора в молекуле POCI₂F.

Другим важным фактором, обнаруженным в таких спектрах, было то, что расстояние между линиями, измеренное в частотной шкале, не зависит от приложенного поля H₀, вместо того чтобы быть ему пропорциональным, как должно быть в случае, если бы мультиплетность возникала из-за различия в константах экранирования.

Рэмзи и Парселл в 1952 году первыми объяснили это взаимодействие, показав, что оно обусловлено механизмом косвенной связи через электронное окружение. Ядерный спин стремится ориентировать спины электронов, окружающих данное ядро. Те, в свою очередь, ориентируют спины других электронов и через них - спины других ядер. Энергия спин-спинового взаимодействия обычно выражается в герцах (т.е. постоянную Планка принимают за единицу энергии, исходя из того, что E=hm). Ясно, что нет необходимости (в отличие от химического сдвига) выражать ее в относительных единицах, так как обсуждаемое взаимодействие, как отмечалось выше, не зависит от напряженности внешнего поля. Величину взаимодействия можно определить измеряя расстояние между компонентами соответствующего мультиплета.

Простейшим примером расщепления из-за спин-спиновой связи, с которым можно встретиться, является резонансный спектр молекулы, содержащей два сорта магнитных ядер А и Х. Ядра А и Х могут представлять собой как различные ядра, так и ядра одного изотопа (например, ¹H) в том случае, когда химические сдвиги между их резонансными сигналами велики.

На рис. 2.3.2 показано, как выглядит спектр ЯМР, если оба ядра, то есть А и Х, имеют спин, равный 1/2. Расстояние между компонентами в каждом дублете называют константой спин-спинового взаимодействия и обычно обозначают как J(Гц); в данном случае это константа J_АХ.

Рисунок 2.3.2 - Вид спектра ЯМР системы, состоящей из магнитных ядер А и Х со спином, равным ½ при выполнении условия δ_AX J_АХ.

Возникновение дублетов обусловлено тем, что каждое ядро расщепляет резонансные линии соседнего ядра на 2^I+1 компонент. Разности энергий между различными спиновыми состояниями так малы, что при тепловом равновесии вероятности этих состояний в соответствии с больцмановским распределением оказываются почти равными. Следовательно, интенсивности всех линий мультиплета, получающегося от взаимодействия с одним ядром, будут равны. В случае, когда имеется n эквивалентных ядер (то есть одинаково экранированных, поэтому их сигналы имеют одинаковый химический сдвиг), резонансный сигнал соседнего ядра расщепляется на 2n^I+1 линий. [10]

.4 Анализаторы веществ на основе ЯМР

Схема простейшего анализатора веществ на основе ЯМР показана на рис. 2.4.1а. [9]

a                                                       b

Рисунок 2.4.1 - Анализатор на основе ЯМР: NS - постоянный магнит, создающий магнитное поле напряженностью H₀, АВ - анализируемое вещество в пробирке, КВ - катушка возбуждения, КП - катушка приемника, ГВЧ - генератор высокой частоты с изменяемой частотой f, ГКИ - генератор коротких импульсов, К - ключ возбуждения, КИ - ключ приема, работающий инверсно ключу К, ПВЧ - приемник высокой частоты, U_p - выходное напряжение релаксации.

Пробирка с анализируемым веществом АВ помещается в постоянном магнитном поле, напряженностью H₀. На пробирку надеваются две катушки: катушка возбуждения КВ и катушка приема КП, причем так, чтобы оси катушек и соответственно их векторы магнитных полей были ортогональны вектору H₀.

Импульс с ГКИ длительностью Т_и (см. рис. 2.4.1b) открывает ключ К и сигнал высокой частоты f_e в виде радиоимпульса поступает на катушку возбуждения КВ. Если частота возбуждения f_e совпадает с одной из частот Лармора элементов, содержащихся в анализируемом веществе АВ, то наступает резонанс и амплитуда спин решетчатой релаксации U_p, воспринимаемая приемной катушкой КП и усиленная приемником ПВЧ становится максимальной. Ключ КИ, работающий в инверсном режиме, отсекает от приема сигнал возбуждения, оставляя только сигнал релаксации, как показано на рис. 3b. Именно этот сигнал показывает степень накачки ядер элементов. Поэтому, меняя частоту f_e генератора ГВЧ, находят все резонансные частоты и по ним определяют наличие соответствующих элементов. Спин-решетчатая и спин-спиновая релаксации характеризуются амплитудами U_p и временами релаксации T₁ и T₂. Эти параметры зависят от многих факторов, среди которых можно выделить следующие основные:

.        тип ядра,

.        частота резонанса f_p,

.        температура,

.        подвижность (микровязкость) вещества,

.        наличие больших молекул,

.        наличие пара и ферромагнитных молекул и ионов.

Первый и три последних характеризует состав вещества, который и является предметом анализа.

3. Обзор аппаратуры

Техническая реализация ЯМР-томографа каждой фирмой-производителем изобилует своими особенностями, однако имеется основа, на которой она базируется. На рисунке 3.1 показана основная схема ЯМР-томографов. В комнате сканирования КС располагаются все компоненты томографа, связанные с достаточно сильными электромагнитными излучениями: сверхпроводящий магнит, градиентные катушки, радиочастотные катушки. Пациент располагается внутри всей системы катушек на специальном столе С, который для точного позиционирования управляется компьютером Ком. через интерфейс-контроллер ИК. Комната сканирования окружена экраном для снижения электромагнитных излучений во внешнюю среду.

Рисунок 3.1 - Структура ЯМР-томографа.

Электронная начинка томографа располагается, как правило, в другой комнате-операторской. "Сердцем" электроники является достаточно мощный компьютер Ком. со всей традиционной периферией: дисплеем, клавиатурой, печатью, фотопечатью, накопителями информации и т.п. Компьютер снабжен программно-математическим обеспечение ЛМО, с помощью которого через интерфейс-контроллер ИК управляет всем томографом, а также обрабатывает сигнал релаксации. Прежде всего, компьютер управляет выбором частоты синтезатора радиочастоты (Синт. РЧ). Последний вырабатывает гармонические колебания с малой нелинейностью в диапазоне частот возбуждения объекта. Для организации процесса релаксации, возбуждение осуществляется кратковременным радиоимпульсом, как правило, колоколообразной формой огибающей. Для этого компьютер формирует и задает через ЦАП М сигнал модуляции на модулятор Мод. РЧ. Затем промодулированный сигнал возбуждения усиливается усилителем мощности УМ РЧ и поступает в радиочастотную катушку возбуждения.

Градиентные поля по X, Y и Z определяются сигналами с соответствующих цифро-аналоговых преобразователей ЦАП G_x, ЦАП G_y и ЦАП G_z, программируемых опять же компьютером.

Сигнал релаксации, воспринимаемый приемной радиочастотной катушкой, поступает на приемник (Прием. РЧ), работающий практически по классической супергетеродинной схеме. Выходной сигнал приемника на промежуточной частоте без детектирования поступает на скоростной АЦП. Массивы кодов с АЦП обычно запоминаются в памяти интерфейса-контроллера ИК, где осуществляется их первичная обработка. Здесь располагается сигнальный процессор с матричным перемножителем для обеспечения быстрого Фурье-преобразования. Окончательное обеспечение вычислительного реконструирования изображения осуществляется компьютером и результат отображается на дисплее.

Системы МРТ в основном отличаются типами главных магнитов. В выпускаемых МРТ используются три типа магнитов: резистивные, сверхпроводящие (криогенные) и постоянные.

Резистивные магниты представляют собой систему катушек с конечным сопротивлением, по которым протекает постоянный ток. Они могут создать поле с относительно небольшой индукцией до 0,4 Тл и используются в МРТ, дающих изображения только «протонного» типа. Однако для создания даже такой сравнительно небольшой индукции требуются большие ток и мощность (так для магнита МРТ «ИМТТОМ» порядка 200 А и 60 кВт). Причем вся подводимая мощность превращается в тепло, которое необходимо отводить.

Именно такие томографы представляет собой наиболее сложную систему, состоящую из большого числа узлов различного назначения и размещенную на большой площади. Это связано со сложной энергетической установкой для питания главного магнита и с системой водяного охлаждения.

Структурная схема системы МРТ с резистивным магнитом представлена на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2 - Структурная схема системы МРТ с резистивным магнитом.

Технические характеристики некоторых моделей приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Технические характеристики МР - томографов.

Проведем сравнительную характеристику рассмотренных видов магнитов. Она представлена в таблице 3.

Таблица 3.2 - Преимущества и недостатки магнитов МРТ.