Высокие пышные свечи цветущего дельфиниума станут ярким акцентом в любом саду. Создавая ландшафтную композицию, можно с успехом использовать всю палитру их цветов - белого, различных оттенков голубого, синего, фиолетового и розового. Выбирая сорта разной высоты, можно создавать многоуровневые композиции, где главную роль сыграет дельфиниум. Выращивание из семян позволит собрать в саду коллекцию различных сортов.

Существуют как однолетние, так и многолетние виды и сорта дельфиниума. Различают около сорока однолетних видов . Они более неприхотливы, их легче размножать, высевая семена весной на постоянное место. Каждый год посадки нужно обновлять, хотя это растение довольно успешно размножается самосевом. Разноцветные соцветия однолетнего дельфиниума образуют романтичные лужайки на солнечных участках.

Дельфиниум многолетний насчитывает около четырехсот видов . Существует широчайший выбор сортов, созданных селекционерами. Наиболее эффектно выглядят гибридные сорта, созданные путем скрещивания различных видов. Их высота варьируется от 80 см до 2 м. Некоторые сорта имеют махровые цветы. Рассмотрим некоторые популярные сорта:

• Блек Найт имеет темно-фиолетовый цветок с черным глазком;
• Блю Джейн - с синим цветком и черным глазком;
• Голубое кружево - белый глазок в середине голубого цветка;
• Розовый закат - розовый с черным глазком;
• Ратмир - сиреневый с коричневым глазком.

Размножение дельфиниума происходит с помощью черенков, деления куста или семенами. Не всегда в садовых центрах можно найти рассаду подходящего по цвету и высоте сорта, если вы решили приобрести для своего сада дельфиниум многолетний. Выращивание из семян позволяет вырастить рассаду самостоятельно , заказав понравившийся сорт по почте. Интернет-магазины предлагают каталоги гибридных сортов дельфиниума, которые пригодные для выращивания в декоративных садах.

Возможен различный подход к получению собственной рассады дельфиниума из семян. Этот процесс непростой и кропотливый, но в результате вы получите гораздо большее количество посадочного материала, сэкономив значительное количество средств .

Подготовка семян

Правильная подготовка семя начинается еще с момента их сбора. Он должен производиться исключительно в сухую погоду, плоды должны быть полностью зрелыми . Главное, не упустить момент, не допустить растрескивания плодов дельфиниума и высыпания семян. Если прогноз погоды неблагоприятен, можно прибегнуть к сбору побуревших плодов с последующим их просушиванием в сухом вентилируемом помещении.

Условия хранения

Для семян различных растений требуются разные условия хранения, чтобы их всхожесть сохранилась на длительный срок. Лучше всего дельфиниум всходит из свежесобранных семян , а также из тех, которые хранились при правильном температурном режиме. Еще 200 лет назад ученые обнаружили что всхожесть семян дельфиниума, закупоренных в герметичные банки и хранящихся при -15 градусах цельсия, сохранялась до 16 лет. Однако в бумажной упаковке при комнатной температуре этот срок сокращается до 11 месяцев. Улучшает ситуацию упаковка с алюминиевым покрытием.

Фирмы, занимающиеся розничной продажей семян, обычно устанавливают срок годности семян любых многолетников в размере 3 лет. Поэтому при покупке обращайте на это особое внимание. Лучшим вариантом является использование собственноручно собранных семян , закрытых в стеклянные баночки и хранившихся в прохладном месте. Для этих целей хорошо подойдет холодильник. Но, если вы хотите посеять новый сорт, придется использовать приобретенные семена.

Стратификация

Перед посевом семена дельфиниума требуют специальной обработки. Ее целью является создание условий, близких к природным. Главное, для прорастания любых семян - создание оптимальной влажности, температурного и воздушного режима . Может применяться, например, такая технология подготовки семян дельфиниума:

Выращивание рассады

Посев лучше всего производить начиная с конца марта и до середины апреля. Но возможно сделать это и в более поздние сроки.

Выбор емкости

В зависимости от количества семян выбирают емкость подходящего размера. Это могут быть горшочки, плошки или ящики. Большой популярностью пользуются готовые кассеты , разделенные на ячейки. Они бывают разного размера, могут иметь поддон и крышку, а также состоять из различного числа ячеек. Толщина грунта в выбранной емкости должна быть около 10 см. В более тонком слое субстрата рассада получается слабой и невыносливой.

Субстрат

Можно купить готовый грунт для рассады или приготовить его самостоятельно. Главное, чтобы он был рыхлым, хорошо удерживал влагу и пропускал воздух. Можно использовать смесь чернозема или торфа с песком и перегноем. Хорошо зарекомендовало себя использование кокосового волокна . Оно не слеживается и придает субстрату рыхлость, улучшает влагообмен и увеличивает поступление воздуха к корням.

Посев

Заполнив емкость грунтом, его нужно разровнять и увлажнить. Чтобы на темном грунте было хорошо видно семена, его можно посыпать слоем речного песка. Это позволит распределить семена равномерно, разбросав их или уложив рядками. Плотность семян должна составлять 2 штуки на квадратный сантиметр. Сверху нужно аккуратно насыпать 2-3 мм субстрата. После этого нужно еще раз очень осторожно полить посевы. Ящики или горшочки накрывают бумагой и лутрасилом и после этого держат при температуре 12-15 градусов. Следует регулярно проверять влажность грунта и при необходимости поливать его.

Через 8-10 дней должны появиться дружные всходы. Если этого не произошло в течение трех недель, значит, что-то пошло не так - либо семена оказались испорченными, либо была нарушена технология проращивания.

Полив сеянцев

Хорошие сеянцы дельфиниума имеют крепкие темно-зеленые стебельки с двумя семядолями. Как только они показались, укрытие нужно убрать. Полив производится с поддона, чтобы не прибить побеги к земле. Нельзя допускать переувлажнения, это может привести к развитию болезней , уничтожающих растения. Пересушивание субстрата также может пагубно сказаться на состоянии рассады.

Пикировка

После того как у растений сформируются 1-2 настоящих листа, их нужно рассадить. Для этого удобно использовать торфяные или пластиковые горшочки диаметром 9 см. В них обязательно должны иметься дренажные отверстия. Высаживать рассаду в сад можно, когда ком грунта будет полностью оплетен корнями.

Посадка

Высаживая в открытый грунт дельфиниум, выращенный из семян, нужно его тщательно полить . Место посадки должно хорошо освещаться солнцем, допускается небольшое затенение в полуденное время. Молодые саженцы нужно постепенно приучать к солнцу. Первое время может понадобиться притенение, чтобы избежать солнечных ожогов.

Дальнейший уход должен содержать следующие этапы:

• поддержания влажной почвы, особенно в засушливый период;
• полив под корень, чтобы избежать появления мучнистой росы;
• рыхление, которое осторожно проводят после полива;
• подкормки в начале активного роста, который происходит в апреле, затем в начале цветения и по окончании цветения;
• старые кусты прореживают весной, оставляя не более 5 побегов;
• стебли высоких сортов нуждаются в регулярном подвязывании.

Первое цветение многолетнего дельфиниума, выращенного из семян, наступает уже на следующий год после посева. Это растение прекрасно сочетается с разными соседями. Наиболее эффектно он выглядит рядом с розами . Цвет растений подбирают в соответствии с классическим сочетанием цветов.

Глава 5. Основы и клиническое применение магнитно-резонансной томографии

Глава 5. Основы и клиническое применение магнитно-резонансной томографии

Магнитно-резонансная томография (МРТ) - один из самых молодых методов лучевой диагностики. Метод основан на феномене ядерно-магнитного резонанса, который известен с 1946 г., когда F. Bloch и E. Purcell показали, что некоторые ядра, находящиеся в магнитном поле, индуцируют электромагнитный сигнал под воздействием радиочастотных импульсов. В 1952 г. за открытие магнитного резонанса им была вручена Нобелевская премия.

В 2003 г. Нобелевская премия по медицине была присуждена британскому ученому Питеру Мэнсфилду (Sir Peter Mansfield) и его американскому коллеге Полу Лотербуру (Paul Lauterbur) за исследования в области МРТ. В начале 1970-х гг. Пол Лотербур открыл возможность получать двухмерное изображение благодаря созданию градиента в магнитном поле. Анализируя характеристики испускаемых радиоволн, он определил их происхождение. Это позволило создавать двухмерные изображения, которые нельзя получить другими методами.

Доктор Мэнсфилд развил исследования Лотербура, установив, каким образом можно анализировать сигналы, которые подает в магнитном поле человеческий организм. Он создал математический аппарат, позволяющий в кратчайший срок преобразовывать эти сигналы в двухмерное изображение.

Споров по поводу приоритета открытия МРТ было много. Американский физик Рэймонд Дамадьян (Raymond Damadian) объявил себя настоящим изобретателем МРТ и создателем первого томографа.

Вместе с тем принципы построения магнитно-резонансных изображений человеческого тела задолго до Рэймонда Дамадьяна разработал Владислав Иванов. Исследования, которые в то время казались сугубо теоретическими, через десятки лет нашли широкое практическое применение в клинике (с 80-х гг. ХХ века).

Для получения МР сигнала и последующего изображения используют постоянное гомогенное магнитное поле и радиочастотный сигнал, который изменяет магнитное поле.

Основные компоненты любого МР-томографа:

Магнит, который создает внешнее постоянное магнитное поле с вектором магнитной индукции В 0 ; в системе СИ единицей измерения магнитной индукции является 1 Тл (Тесла) (для сравнения - магнитное поле Земли составляет примерно 5 x 10 -5 Тл). Одним из основных требований,

предъявляемых к магнитному полю, является его однородность в центре тоннеля;

Градиентные катушки, которые создают слабое магнитное поле в трех направлениях в центре магнита, и позволяют выбрать область исследования;

Радиочастотные катушки, которые используются для создания электромагнитного возбуждения протонов в теле пациента (передающие катушки) и для регистрации ответа сгенерированного возбуждения (приемные катушки). Иногда приемные и передающая катушки совмещены в одну при исследовании различных частей тела, например головы.

При выполнении МРТ:

Исследуемый объект помещается в сильное магнитное поле;

Подается радиочастотный импульс, после которого происходит изменение внутренней намагниченности с постепенным его возвращением к исходному уровню.

Эти изменения намагниченности многократно считываются для каждой точки исследуемого объекта.

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МРТ

Организм человека примерно на 4/5 состоит из воды, около 90% вещества составляет водород - 1 Н. Атом водорода является простейшей структурой. В центре есть положительно заряженная частица - протон, а на периферии - значительно меньшая по массе: электрон.

Постоянно вращается вокруг ядра (протона) только электрон, но одновременно с этим происходит вращение протона. Он вращается примерно как волчок вокруг собственной оси, и одновременно его ось вращения описывает окружность, так что получается конус (см. рис. 5.1, а, б).

Частота вращения протона (прецессия) очень высока - примерно 40 МГц, т. е. за 1 с. он делает - около 40 млн оборотов. Частота вращения прямо пропорциональна напряженности магнитного поля и называется частотой Лар-мора. Движение заряженной частицы формирует магнитное поле, вектор которого совпадает с направлением конуса вращения. Таким образом, каждый протон можно представить в виде маленького магнита (спина), который имеет свое собственное магнитное поле и полюсы - северный и южный (рис. 5.1).

Протоны имеют самый высокий магнитный момент и, как отмечалось выше, самую большую концентрацию в организме. Вне сильного магнитного поля эти маленькие магниты (спины) ориентированы хаотично. Попадая под действие сильного магнитного поля, которое составляет основу магнитно-резонансной томографической установки, они выстраиваются вдоль основного магнитного вектора В 0 . Возникающая при этом продольная намагниченность спинов будет максимальной (см. рис. 5.2).

После этого подается мощный радиочастотный импульс определенной (резонансной) частоты, близкой к частоте Лармора. Он заставляет все протоны перестраиваться перпендикулярно (90°) основному магнитному вектору В 0 и совершать синхронное вращение, вызывая собственно ядерный резонанс.

Продольная намагниченность становится равной нулю, но возникает поперечная намагниченность, так как все спины направлены перпендикулярно основному магнитному вектору В 0 (см. рис. 5.2).

Рис. 5.1. Принцип ядерного магнитного резонанса: а - протоны вращаются (прецессируют) вокруг собственной оси с частотой примерно 40 млн оборотов в секунду; б - вращение происходит вокруг оси по типу «волчка»; в - движение заряженной частицы вызывает формирование магнитного поля, который

можно представить в виде вектора

Под влиянием основного магнитного вектора В 0 спины постепенно возвращаются к исходному состоянию. Это процесс называется релаксацией. Поперечная намагниченность уменьшается, а продольная увеличивается (см. рис. 5.2).

Скорость этих процессов зависит от наличия химических связей; наличия или отсутствия кристаллической решетки; возможности свободной отдачи энергии с переходом электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень (для воды это макромолекулы в окружении); неоднородности магнитного поля.

Время, за которое величина основного вектора намагниченности вернется к 63% первоначального значения, называют временем Т1-релаксации, или спин-решетчатой релаксацией.

После подачи радиочастотного импульса все протоны вращаются синхронно (в одной фазе). Затем из-за небольшой неоднородности магнитного поля спины, вращаясь с разной частотой (частотой Лармора), начинают вращаться в разных фазах. Другая частота резонанса позволяет «привязать» тот или иной протон к конкретному месту в исследуемом объекте.

Время релаксации Т2 наступает приблизительно в момент начала рас-фазировки протонов, которая происходит из-за негомогенности внешнего магнитного поля и наличия локальных магнитных полей внутри исследуемых тканей, т. е. когда спины начинают вращаться в разных фазах. Время,

за которое вектор намагниченности уменьшится до 37% первичного значения, называют временем Т2-релаксации, или спин-спиновой релаксацией.

Рис. 5.2. Этапы МР-исследования: а - объект помещается в сильное магнитное поле. Все векторы направлены вдоль вектора В 0 ; б - подается радиочастотный резонансный 90° сигнал. Спины направлены перпендикулярно вектору В 0 ; в - после этого происходит возврат к первоначальному состоянию (возрастает продольная намагниченность) - Т1 релаксация; г - из-за негомогенности магнитного поля в зависимости от удаленности от центра магнита спины начинают вращаться с разной частотой - происходит расфазировка

Эти изменения намагниченности считываются многократно для каждой точки исследуемого объекта и в зависимости от начала измерения МР-сиг-нала, характерного для разных импульсных последовательностей, мы получаем Т2-взвешенные, Т1-взвешенные или протон-взвешенные изображения.

В МРТ радиочастотные импульсы могут подаваться в различных комбинациях. Эти комбинации называются импульсными последовательностями. Они позволяют добиваться различной контрастности мягкотканных структур и применять специальные методики исследования.

Т1-взвешенные изображения (Т1-ВИ)

На Т1-ВИ хорошо определяются анатомические структуры. Т2-взвешенные изображения (Т2-ВИ)

Т2-ВИ имеют ряд преимуществ перед Т1-ВИ. Их чувствительность к большому количеству патологических изменений выше. Иногда становятся видимыми патологические изменения, которые не могут быть установлены при использовании Т1-взвешенных последовательностей. Кроме того, визуализация патологических изменений более надежная, если имеется возможность сравнения контраста на Т1- и Т2-ВИ.

В биологических жидкостях, содержащих разные по размеру молекулы, внутренние магнитные поля значимо различаются. Эти различия приводят к тому,

что расфазировка спинов наступает быстрее, время Т2 короткое, и на Т2-ВИ спинномозговая жидкость, например, всегда выглядит ярко-белой. Жировая ткань на Т1- и Т2-ВИ дает гиперинтенсивный МР-сигнал, так как характеризуется коротким временем Т1 и Т2.

Более подробно основные физические принципы магнитно-резонансной томографии описаны в переведенном на русский язык учебнике под редакцией профессора Ринка (Rinck) Европейского общества магнитного резонанса в медицине.

Характер получаемого сигнала зависит от множества параметров: числа протонов на единицу плотности (протонная плотность); времени Т1 (спин-решетчатой релаксации); времени Т2 (спин-спиновой релаксации); диффузии в исследуемых тканях; наличия тока жидкости (например, кровотока); химического состава; применяемой импульсной последовательности; температуры объекта; силы химической связи.

Получаемый сигнал отражается в относительных единицах серой шкалы. По сравнению с рентгеновской плотностью (единицы Хаунсфилда - HU), которая отражает степень поглощения рентгеновского излучения тканями организма и является сопоставимым показателем, интенсивность МР-сиг-нала - величина непостоянная, так как зависит от перечисленных выше факторов. В связи с этим абсолютные величины интенсивности МР-сигна-ла не сравнивают. Интенсивность МР-сигнала служит лишь относительной оценкой для получения контраста между тканями организма.

Важным показателем в МРТ является соотношение сигнал/шум. Это соотношение показывает, насколько интенсивность МР-сигнала превышает уровень шума, неизбежный при любых измерениях. Чем это соотношение выше, тем лучше изображение.

Одним из главных преимуществ МРТ является возможность создания максимального контраста между зоной интереса, например опухолью, и окружающими здоровыми тканями. Применяя разные импульсные последовательности, можно добиться большей или меньшей контрастности изображения.

Таким образом, для разных патологических состояний можно подобрать такую импульсную последовательность, где контраст будет максимальным.

В зависимости от напряженности магнитного поля различают несколько типов томографов:

До 0,1 Тл - сверхнизкопольный томограф;

От 0,1 до 0,5 Тл - низкопольный;

От 0,5 до 1 Тл - среднепольный;

От 1 до 2 Тл - высокопольный;

Более 2 Тл - сверхвысокопольный.

В 2004 г. FDA (Federal Food and Drug Administration - Федеральным управлением по пищевым продуктам и лекарственным средствам, США) разрешены к использованию в клинической практике МР-томографы с напряженностью магнитного поля до 3 Тл включительно. Проводятся единичные работы на добровольцах на 7 Тл МР-томографах.

Для создания постоянного магнитного поля используют:

Постоянные магниты, которые построены из ферромагнитных материалов. Их основным недостатком является большой вес - несколько

десятков тонн при небольшой силе индукции - до 0,3 Тл. Отсутствие громоздкой системы охлаждения и потребления электричества для формирования магнитного поля являются достоинствами таких магнитов;

Электромагниты, или резистивные магниты, представляющие собой соленоид, по которому пропускают сильный электрический ток. Они требуют мощной системы охлаждения, потребляют много электроэнергии, но при этом можно добиться большой однородности поля; диапазон магнитного поля таких магнитов составляет от 0,3 до 0,7 Тл.

Сочетания резистивного и постоянного магнита дают так называемые гибридные магниты, в которых получаются более сильные, чем в постоянных магнитах, поля. Они дешевле сверхпроводящих, но уступают им по величине поля.

Наиболее распространены сверхпроводящие магниты, которые являются резистивными, но используют явление сверхпроводимости. При температурах, близких к абсолютному нулю (-273 °С, или °К), происходит резкое падение сопротивления, и, следовательно, можно использовать огромные значения силы тока для генерации магнитного поля. Основным недостатком таких магнитов являются громоздкие, дорогостоящие многоступенчатые системы охлаждения с применением сжиженных инертных газов (Не, N).

МР-система со сверхпроводящим магнитом включает следующие компоненты:

Сверхпроводящий электромагнит с многоконтурной системой охлаждения, снаружи окруженной активным сверхпроводящим экраном для минимизации воздействия магнитного поля рассеяния; хладагентом является жидкий гелий;

Стол для пациента, перемещаемый в отверстие магнита;

МР-катушки для визуализации различных органов и систем, которые могут быть передающими, приемными и приемно-передающими;

Шкафы с электронной аппаратурой, система охлаждения, градиенты;

Компьютерную систему для управления, получения и хранения изображений, которая обеспечивает также интерфейс между компьютерной системой и пользователем;

Консоли управления;

Блок аварийной сигнализации;

Переговорное устройство;

Систему видеонаблюдения за пациентом (рис. 5.3). КОНТРАСТНЫЕ ВЕЩЕСТВА

Для лучшего выявления патологических изменений (прежде всего опухолей) сигнал можно усилить путем внутривенного введения парамагнитного контрастного вещества, что будет проявляться усилением МР-сигнала от опухоли, например в зоне нарушения гематоэнцефалического барьера.

Контрастные вещества, используемые в МРТ, изменяют продолжительность Т1- и Т2-релаксации.

Наиболее часто в клинической практике применяют хелатные соединения редкоземельного металла гадолиния - гадовист, магневист, омнискан. Несколько неспаренных электронов и возможность свободной отдачи энергии с переходом электрона с более высокого на более низкий энергетический уровень позволяют значительно снижать Т1- и Т2-релаксацию.

Рис. 5.3. Внешний вид высокопольного магнитно-резонансного томографа: 1) тоннель магнита; 2) стол пациента, который перемещается в тоннель (центр) магнита; 3) пульт управления столом, с системой центровки и позиционирования области исследования; 4) встроенные в стол радиочастотные катушки для исследования позвоночника; 5) основные радиочастотные катушки для исследования головного мозга; 6) наушники

для связи с пациентом

В некоторых нормальных структурах физиологическое распределение соединений гадолиния обычно ведет к усилению сигнала в Т1-ВИ. В полости черепа выделяются только те структуры, которые не имеют гема-тоэнцефалического барьера, например гипофиз, шишковидное тело, сосудистое сплетение желудочков мозга и определенные участки черепных нервов. Усиления не происходит в остальных частях центральной нервной системы, в спинномозговой жидкости, в стволе мозга, во внутреннем ухе и в глазницах, за исключением сосудистой оболочки глаз.

Особенно интенсивно контрастируются соединениями гадолиния патологические очаги с повышенной проницаемостью гематоэнцефалического барьера: опухоли, участки воспаления и повреждения белого вещества (рис. 5.4).

Контрастные вещества на основе гадолиния, оказывая влияние на Т1-ре-лаксацию, при выполнении МР-ангиографии улучшают визуализацию мелких артерий и вен, а также участков с турбулентным током.

Рис. 5.4. Опухоль головного мозга. Контрастное вещество накапливается в опухолевой ткани вследствие нарушения гематоэнцефалического барьера. На постконтрастных Т1-ВИ опухоль характеризуется выраженным гиперинтенсивным МР-сигналом (б) по сравнению

с преконтрастным изображением (а)

МЕТОДИКИ МАГНИТНО-РЕЗОНАНСНОГО ТОМОГРАФИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ

Стандартные методики

Стандартными методиками МРТ являются получение Т1-, Т2- и протон-взвешенных изображений (срезов) в различных плоскостях, дающих диагностическую информацию о характере, локализации и распространенности патологического процесса.

Помимо этого, используют специальные методики: контрастное усиление (в том числе динамическое контрастное усиление), МР-ангиографию, МР-миелографию, МР-холангиопанкреатикографию, МР-урографию), жи-роподавление, спектроскопию, функциональную МРТ, МР-диффузию, МР-пер-фузию, кинематическое исследование суставов.

Программное обеспечение МР-томографа позволяет выполнять ангиографию как с введением контрастного вещества, так и без него. В бесконтрастной ангиографии выделяют две основные методики: время-пролетную (ToF or time-of-flight) и фазоконтрастную (PC or phase contrast) ангиографию. Методики основаны на одном физическом принципе, но способ реконструкции изображения и возможности визуализации различаются. Обе методики позволяют получить как двухмерное (2D), так и трехмерное (3D) изображение.

Получение ангиографического изображения основано на селективном возбуждении (насыщении) радиочастотным импульсом тонкого среза исследуемой области. Затем происходит считывание суммарного магнитного спина, который увеличивается в сосуде из-за того, что происходит вытеснение током крови «насыщенных» спинов «ненасыщенными», которые имеют полновесную намагниченность и дают более интенсивный сигнал по сравнению с окружающими тканями (см. рис. 5.5).

Интенсивность сигнала будет тем выше, чем выше напряженность магнитного поля, скорость тока крови, если радиочастотный импульс будет перпендикулярен исследуемому сосуду. Интенсивность сигнала снижается в местах турбулентного движения крови (ме-шотчатые аневризмы, область после стеноза) и в сосудах с небольшой скоростью кровотока. Эти недостатки устраняются в фазоконт-растной и трехмерной время-пролетной ангиографии (3D ToF), где пространственная ориентация кодируется не величиной, а фазой спинов. Для визуализации мелких артерий и вен целесообразнее применить фазоконтрастную либо трехмерную время-пролетную ангиографию (3D ToF). Использование фазоконтрастной методики позволяет визуализировать кровоток в пределах заданных скоростей и видеть медленный кровоток, например, в венозной системе.

Для контрастной МР-ангиографии внутривенно вводят парамагнитные контрастные вещества, улучшающие визуализацию мелких артерий и вен, а также участков с турбулентным током, автоматическим инъектором для МР-томографов.

Специальные методики

МР-холангиография, миелография, урография - группа методик, объединенных общим принципом визуализации только жидкости (гидрография). МР-сигнал от воды выглядит гиперинтенсивным на фоне низкого сигнала от окружающих тканей. Применение МР-миелографии с ЭКГ-совмещением помогает оценить ток спинномозговой жидкости в субарахноидальном пространстве.

Динамическая МРТ используется для выявления прохождения контрастного вещества через область интереса после внутривенного введения препарата. В злокачественных опухолях происходят более быстрый захват и быстрое вымывание по сравнению с окружающими тканями.

Методика жироподавления применяется для дифференциальной диагностики жиросодержащих тканей, опухолей. При использовании Т2-ВИ жидкость и жир выглядят яркими. В результате генерации селективного импульса, свойственного жировой ткани, происходит подавление МР-сигнала от нее. При сравнении с изображениями до жироподавления можно уверенно высказаться о локализации, например, липом.

Рис. 5.5. Общая схема бесконтрастной магнитно-резонансной ангиографии. Получение изображения основано на селективном возбуждении (насыщении) радиочастотным импульсом тонкого среза исследуемой области (темная полоса). В сосуде происходит вымещение током крови «насыщенных» спинов «ненасыщенными», которые имеют полновесную намагниченность и дают интенсивный МР-сигнал по сравнению с окружающими тканями

МР-спектроскопия водородная (1 H) и фосфорная (31 Р) позволяет в результате разделения МР-сигналов от различных метаболитов (холин, креатинин, N-ацетиласпартат, изониозид, глутамат, лактат, таурин, g-аминобутират, аланин, цитрат, аденозинтрифосфатаза, креатинфосфат, фосфомоноэфир, фосфодиэфир, неорганический фосфат-Pi, 2,3-фосфоглицерат) выявлять изменения на биохимическом уровне, до того как возникли изменения, видимые на традиционных Т1- и Т2-ВИ.

При МРТ возможно выполнение функциональной томографии головного мозга на основе методики BOLD (Blood Oxygen Level Dependent - зависящей от уровня кислорода в крови). Выявляются участки, где происходит усиление кровотока и, соответственно притока, кислорода в кору согласно топике раздражаемого анализатора или моторной зоны.

Для выявления изменений головного мозга в острейшем периоде ишеми-ческого инсульта выполняется диффузионная и перфузионная МРТ.

Под диффузией понимают движение свободных молекул воды, которое снижается в ишемизированной ткани мозга. Методика МР-диффузии позволяет выявлять участки понижения так называемого измеряемого коэффициента диффузии (ИКД) в зонах ишемического повреждения головного мозга, когда изменения при обычной (Т1-, Т2- и протон-взвешенной) томографии в первые часы еще не определяются. Зона, выявленная на диффузионных изображениях, соответствует зоне необратимых ишемических изменений. ИКД определяется путем использования специальной серии импульсных последовательностей. Время сканирования составляет чуть больше минуты, введения контрастного вещества не требуется.

Под термином «тканевая перфузия» понимается процесс доставки с кровью кислорода на капиллярном уровне. При перфузионной МРТ вводят 20 мл контрастного вещества внутривенно болюсно с помощью автоматического инъектора с большой скоростью (5 мл/с).

МР-перфузия выявляет изменения на микроциркуляторном уровне, которые обнаруживаются уже в первые минуты от начала клинической симптоматики. С помощью данной методики возможна количественная (MMT - среднее время транспорта, TTP - среднее время прихода КВ) и полуколичественная (CBF - мозговой кровоток, CBV - объем мозгового кровотока) оценка перфузионных показателей.

На МР-томографах с открытым контуром возможно кинематическое (в движении) исследование суставов, когда сканирование делают последовательно со сгибанием или разгибанием сустава на определенный угол. На полученных изображениях оценивают подвижность сустава и участие в нем тех или иных структур (связки, мышцы, сухожилия).

ПРОТИВОПОКАЗАНИЯ

Абсолютным противопоказанием для выполнения МРТ являются металлические инородные тела, осколки, ферромагнитные имплантаты, так как под влиянием сильного магнитного поля они могут нагреваться, смещаться и травмировать окружающие ткани.

Под ферромагнитными имплантатами понимают кардиостимуляторы, автоматические дозаторы лекарственных средств, имплантированные инсу-линовые помпы, искусственный задний проход с магнитным затвором; искусственные клапаны сердца с металлическими элементами, стальные имп-лантаты (зажимы/клипсы на сосудах, искусственные тазобедренные суставы, аппараты металлоостеосинтеза), слуховые аппараты.

Изменяющиеся во времени вихревые токи, генерируемые высокими магнитными полями, могут вызвать ожоги у пациентов с электропроводящими имплантированными устройствами или протезов.

Относительными противопоказаниями для проведения исследования: I триместр беременности; клаустрофобия (боязнь замкнутого пространства); некупированный судорожный синдром; двигательная активность пациента. В последнем случае у больных в тяжелом состоянии или у детей прибегают к анестезиологическому пособию.

ПРЕИМУЩЕСТВА МЕТОДА

Различные импульсные последовательности обеспечивают получение высококонтрастного изображения мягких тканей, сосудов, паренхиматозных органов в любой плоскости с заданной толщиной среза до 1 мм.

Отсутствие лучевой нагрузки, безопасность для больного, возможность многократного повторного выполнения исследования.

Возможность выполнения бесконтрастной ангиографии, а также хо-лангио-панкреатикографии, миелографии, урографии.

Неинвазивное определение содержания различных метаболитов in vivo с помощью водородной и фосфорной МР-спектроскопии.

Возможность функциональных исследований головного мозга для визуализации чувствительных и двигательных центров после их стимуляции.

НЕДОСТАТКИ МЕТОДА

Высокая чувствительность к двигательным артефактам.

Ограничение исследований у пациентов, находящихся на аппаратном поддержании жизненно важных функций (кардиостимуляторы, дозаторы лекарственных веществ, аппаратов ИВЛ и др.).

Плохая визуализация костных структур из-за низкого содержания воды.

ПОКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ МРТ

Голова

1. Аномалии и пороки развития головного мозга.

2. Опухоли головного мозга:

Диагностика доброкачественных опухолей;

Диагностика внутримозговых опухолей с оценкой их злокачественности;

Оценка радикальности удаления опухолей и оценка эффективности комбинированного лечения;

Планирование стереотаксического вмешательства и/или биопсии при опухолях головного мозга.

3. Заболевания сосудов головного мозга:

Диагностика артериальных аневризм и сосудистых мальформаций;

Диагностика острого и хронического нарушения мозгового кровообращения;

Диагностика стенозирующих и окклюзирующих заболеваний.

4. Демиелинизирующие заболевания головного мозга:

Определение активности патологического процесса.

5. Инфекционные поражения головного мозга (энцефалит, абсцесс).

7. Гипертензионно-гидроцефальный синдром:

Установление причины повышения внутричерепного давления;

Диагностика уровня и степени обструкции при окклюзионной гидроцефалии;

Оценка состояния желудочковой системы при неокклюзионной гидроцефалии;

Оценка ликворотока.

8. Черепно-мозговая травма:

Диагностика внутричерепных кровоизлияний и ушибов головного мозга.

9. Заболевания и повреждения органа зрения и ЛОР-органов:

Диагностика внутриглазных кровоизлияний;

Выявление инородных (неметаллических) тел в глазнице и околоносовых пазухах;

Выявление гемосинуса при травмах;

Оценка распространенности злокачественных опухолей.

10. Контроль эффективности лечения различных заболеваний и травм головного мозга.

Грудь

1. Исследование органов дыхания и средостения:

Диагностика доброкачественных и злокачественных опухолей средостения;

Определение жидкости в полости перикарда, плевральной полости;

Выявление мягкотканных образований в легких.

2. Исследование сердца:

Оценка функционального состояния миокарда, сердечной гемодинамики;

Выявление прямых признаков инфаркта миокарда;

Оценка морфологического состояния и функции структур сердца;

Диагностика внутрисердечных тромбов и опухолей.

3. Исследование молочных желез:

Оценка состояния регионарных лимфатических узлов;

Оценка состояния имплантатов после протезирования молочных желез;

Пункционная биопсия образований под контролем МРТ.

Позвоночник и спинной мозг

1. Аномалии и пороки развития позвоночника и спинного мозга.

2. Травма позвоночника и спинного мозга:

Диагностика позвоночно-спинномозговой травмы;

Диагностика кровоизлияний и ушибов спинного мозга;

Диагностика посттравматических изменений позвоночника и спинного мозга.

3. Опухоли позвоночника и спинного мозга:

Диагностика опухолей костных структур позвоночника;

Диагностика опухолей спинного мозга и его оболочек;

Диагностика метастатических поражений.

4. Интрамедуллярные неопухолевые заболевания (сирингомиелия, бляшки рассеянного склероза).

5. Сосудистые заболевания спинного мозга:

Диагностика артериовенозных мальформаций;

Диагностика спинального инсульта.

6. Дегенеративно-дистрофические заболевания позвоночника:

Диагностика протрузий и грыж межпозвоночных дисков;

Оценка компрессии спинного мозга, нервных корешков и дурального мешка;

Оценка стеноза позвоночного канала.

7. Воспалительные заболевания позвоночника и спинного мозга:

Диагностика спондилитов различной этиологии;

Диагностика эпидуритов.

8. Оценка результатов консервативного и оперативного лечения заболеваний и повреждений позвоночника и спинного мозга.

Живот

1. Исследование паренхиматозных органов (печень, поджелудочная железа, селезенка):

Диагностика очаговых и диффузных заболеваний (первичные доброкачественные и злокачественные опухоли, метастазы, кисты, воспалительные процессы);

Диагностика повреждений при травме живота;

Диагностика портальной и билиарной гипертензии;

Изучение метаболизма печени на биохимическом уровне (фосфорная МР-спектроскопия).

2. Исследование желчных путей и желчного пузыря:

Диагностика желчнокаменной болезни с оценкой состояния внутри-и внепеченочных протоков;

Диагностика опухолей;

Уточнение характера и выраженности морфологических изменений при остром и хроническом холецистите, холангите;

Постхолецистэктомический синдром.

3. Исследование желудка:

Дифференциальная диагностика доброкачественных и злокачественных опухолей;

Оценка местной распространенности рака желудка;

Оценка состояния регионарных лимфатических узлов при злокачественных опухолях желудка.

4. Исследование почек и мочевыводящих путей:

Диагностика опухолевых и неопухолевых заболеваний;

Оценка распространенности злокачественных опухолей почек;

Диагностика мочекаменной болезни с оценкой функции мочевыделения;

Установление причин гематурии, анурии;

Дифференциальная диагностика почечной колики и других острых заболеваний органов брюшной полости;

Диагностика повреждений при травме живота и поясничной области;

Диагностика специфического и неспецифического воспаления (туберкулез, гломерулонефрит, пиелонефрит).

5. Исследование лимфатических узлов:

Выявление их метастатического поражения при злокачественных опухолях;

Дифференциальная диагностика метастатических и воспалительно измененных лимфатических узлов;

Лимфомы любой локализации.

6. Исследование сосудов полости живота:

Диагностика аномалий и вариантов строения;

Диагностика аневризм;

Выявление стенозов и окклюзии;

Оценка состояния межсосудистых анастомозов.

Таз

1. Аномалии и врожденные нарушения развития.

2. Травмы органов таза:

Диагностика внутритазовых кровоизлияний;

Диагностика повреждений мочевого пузыря.

3. Исследование внутренних половых органов у мужчин (простата, семенные пузырьки):

Диагностика воспалительных заболеваний;

Диагностика доброкачественной гиперплазии простаты;

Дифференциальная диагностика злокачественных и доброкачественных опухолей;

Изучение метаболизма простаты на биохимическом уровне (водородная МР-спектроскопия).

4. Исследование внутренних половых органов у женщин (матка, яичники):

Диагностика воспалительных и невоспалительных заболеваний;

Дифференциальная диагностика злокачественных и доброкачественных опухолей;

Оценка распространенности злокачественного опухолевого процесса;

Диагностика врожденных пороков и заболеваний плода.

Конечности

1. Аномалии и врожденные нарушения развития конечностей.

2. Травмы и их последствия:

Диагностика повреждений мышц, сухожилий, связок, менисков;

Диагностика внутрисуставных повреждений (жидкость, кровь и т. д.);

Оценка целостности капсулы крупных суставов.

3. Воспалительные заболевания (артрит, бурсит, синовиит).

4. Дегенеративно-дистрофические заболевания.

5. Нейродистрофические поражения.

6. Системные заболевания соединительной ткани (ретикулоэндотелиозы и псевдоопухолевые гранулемы, фиброзная дистрофия и т. д.).

7. Опухоли костей и мягких тканей:

Дифференциальная диагностика доброкачественных и злокачественных заболеваний;

Оценка распространенности опухолей.

Таким образом, МРТ является высокоинформативным, безопасным, не-инвазивным (или малоинвазивным) методом лучевой диагностики.

Применение лазеров в медицине.

Лазер применяется медицине в качестве скальпеля, рассекающего ткани без механического контакта. Глубоколежащие ткани не затрагиваются, исключается опасность инфицирования, разрезы бескровны. Диффузное лазерное излучение ускоряет заживление ран примерно в 2 раза. В офтальмологической хирургии – операции без вскрытия глазного яблока и анестезии – в точках фокусирования излучения получают тончайшие перфорационные отверстия.

Используется:

o Пункция лазерным лучом при ишемической болезни сердца

o Для уничтожения камней в почках и желчном пузыре за счет высокой плотности энергии импульсного лазера создается ударная волна, разрушающая камни

o Фоторадиационное воздействие на раковые клетки при онкологии. Воздействие лазера на опухоль приводит к фотохимической реакции с участием гематопорфирина и гибели раковых клеток. Здоровые клетки гематопорфирин не поглощают.

o Эндоскопическое вмешательство – нагревание биоткани за счет поглощения энергии лазерного излучения.

o При заживлении ран и язв.

_______________________________________________________________________________________

13. Электронный парамагнитный резонанс. ЭПР в медицине.

У атома, помещенного в магнитное поле, спонтанные переходы между подуровнями одного и того же уровня маловероятны. Такие переходы осуществляются индуцировано под влиянием внешнего электромагнитного поля. Необходимым условием является совпадение частоты электромагнитного поля с частотой фотона, соответствующего разности энергий между расщепленными подуровнями. При этом можно наблюдать поглощение энергии электромагнитного поля, которое называется электромагнитным резонансом. Медико-биологическое применение ЭПР заключается в обнаружении и исследовании свободных радикалов и в связи с этим прослеживание изменения первичных и вторичных продуктов радиационного поражения. Исп-ся спиновые зонды – парамагнитные частицы, которые нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии окружающих молекул. Проводятся большие исследования биологических объектов методом ЭПР.

ЯМР – это избирательное поглощение электромагнитных волн определенной частоты веществом в постоянном магнитном поле, обусловленное магнитной переориентацией магнитных моментов ядер. ЯМР можно наблюдать при выполнении условия лишь для свободных атомных ядер. В спектральных ЯМР различают 2 типа линий по их ширине. Спектры твердых тел имеют большую ширину, и эту область применения ЯМР называют ЯМР широких линий. В жидкостях наблюдают узкие линии, и это наз-т ЯМР высокого разрешения.

Интересные возможности для медицины может дать определение параметров спектра ЯМР во многих точках образца.

ЯМР – интроскопия позволяет различить кости, сосуды, нормальные ткани и ткани со злокачественной патологией. ЯМР – интроскопия позволяет различить изображения мягких тканей. ЯМР относят к радиоспектроскопии.

Сегодня все чаще пациентов направляют не на рентгенографию или УЗИ, а на ядерную магниторезонансную томографию. В основе такого метода исследования лежит магнетизм ядра. Рассмотрим, что такое , какие ее преимущества и в каких случаях она проводится.

Этот метод диагностики основан на ядерном магнитном резонансе. Во внешнем магнитном поле ядро атома водорода, или протон, находится в двух взаимно противоположных состояниях. Изменить направление магнитного момента ядра можно, подействовав на него электромагнитными лучами с некоторой определенной частотой.

Помещение протона во внешнее магнитное поле вызывает изменение его магнитного момента с возвращением в исходное положение. При этом выделяется определенное количество энергии. фиксирует изменение количества такой энергии.

Томограф использует очень сильные магнитные поля. Электромагниты обычно способны развивать магнитное поле напряженностью 3, иногда до 9 Тл. Оно является полностью безвредным для человека. Система томографа позволяет локализировать направленность магнитного поля с тем, чтобы получить наиболее качественные изображения.

Ядерно магнитный томограф

Способ диагностики основывается на фиксации электромагнитного отклика ядра атома (протона), происходящего из-за возбуждения его электромагнитными волнами в высоконапряженном магнитном поле. Впервые о магнитно резонансной томографии заговорили еще в 1973 году. Тогда американский ученый П. Латербур предложил провести исследование объекта в изменяющемся магнитном поле. Работы этого ученого послужили началу новой эры в медицине.

С помощью магнитно резонансного томографа стало возможным изучать ткани и полости организма человека благодаря степени насыщенности тканей водородом. Часто применяются магнито-резонансные контрастные вещества. Чаще всего это препараты гадолиния, которые способны изменять отклик протонов.
Термин «ядерная МР томография» существовал до 1986 года.

В связи с радиобоязнью у населения в связи с катастрофой на Чернобыльской атомной электростанции из названия нового метода диагностики решено было убрать слово «ядерный». Впрочем, это позволило магнито-резонансной томографии быстро войти в практику диагностики многих заболеваний. На сегодня этот метод является ключевым в определении множества еще недавно труднодиагностируемых заболеваний.

Как проводится диагностика?

При проведении МРТ используется очень сильное магнитное поле. И хотя оно не опасно для человека, все же врачу и пациенту нужно придерживаться определенных правил.

Прежде всего, перед процедурой диагностики пациент заполняет специальную анкету. В ней он указывает состояние здоровья, а также ведомости о себе. Обследование делается в специально подготовленном помещении с кабинкой для переодевания и личных вещей.

Чтобы не навредить самому себе, а также для обеспечения правильности результатов пациент должен снять с себя все вещи, которые содержат металл, оставить в шкафчике для личных вещей мобильные телефоны, кредитные карточки, часы и проч . Женщинам желательно смыть с кожи декоративную косметику.
Дале пациента помещают внутрь трубы томографа. По указанию врача определяется зона обследования. Каждая зона обследуется в течение десяти – двадцати минут. Все это время пациент должен находиться неподвижно. От этого будет зависеть качество снимков. Врач может зафиксировать положение пациента, если это необходимо.

Во время работы аппарата слышатся равномерные звуки. Это нормально и свидетельствует о том, что исследование проходит правильно. Для получения более точных результатов пациенту может быть введено внутривенно контрастное вещество. В отдельных случаях при введении такого вещества ощущается прилив тепла. Это совершенно нормально.

Приблизительно через полчаса после исследования врач может получить протокол исследования (заключение). Выдается также диск с результатами.

Преимущества ядерной МРТ

К преимуществам такого обследования относят следующее.

1. Возможность получить высококачественные изображения тканей организма в трех проекциях. Это значительно повышает визуализацию тканей и органов. В таком случае ЯМРТ намного лучше, чем компьютерная томография, рентгенография и ультразвуковая диагностика.
2. Высококачественные объемные изображения дают возможность получить точный диагноз, что улучшает лечение и повышает вероятность выздоровления.
3. Так как на МРТ можно получить высококачественное изображение, то такое исследование – лучшее для обнаружения опухолей, нарушений деятельности центральной нервной системы, патологических состояний опорно-двигательного аппарата. Так появляется возможность диагностировать те заболевания, которые еще недавно было сложно или невозможно обнаружить.
4. Современные аппараты для томографии позволяют получить качественные снимки без изменения положения пациента. А для кодирования информации применяются те же методы, что и в компьютерной томографии. Это облегчает диагностику, так как врач видит трехмерные изображения целых органов. Также врач может получить изображения того или иного органа послойно.
5. Такое обследование хорошо определяет самые ранние патологические изменения в органах. Таким образом можно обнаружить болезнь на стадии, когда пациент еще не ощущает симптомов.
6. При проведении такого исследования больной не подвергается ионизирующему излучению. Это существенно расширяет сферы применения МРТ.
7. Процедура МРТ полностью безболезненна и не доставляет больному никакого дискомфорта.

Показания к МРТ

Показаний к проведению магнитно резонансной томографии много.

• Нарушения мозгового кровообращения.
• Подозрения на новообразование мозга, поражение его оболочек.
• Оценка состояния органов после оперативного вмешательства.
• Диагностика воспалительных явлений.
• Судороги, эпилепсии.
• Черепно-мозговая травма.
• Оценка состояния сосудов.
• Оценка состояния костей и суставов.
• Диагностика мягких тканей организма.
• Заболевания позвоночника (в том числе остеохондроз, спондилоартроз).
• Травмы позвоночника.
• Оценка состояния спинного мозга, в том числе подозрения на злокачественные процессы.
• Остеопороз.
• Оценка состояния органов брюшины, а также забрюшинного пространства. МРТ показано при желтухе, хроническом гепатите, холецистите, желчнокаменной болезни, опухолевидном поражении печени, панкреатите, заболеваниях желудка, кишечника, селезенки, почек.
• Диагностика кист.
• Диагностика состояния надпочечников.
• Заболевания органов малого таза.
• Урологические патологии.
• Гинекологические заболевания.
• Болезни органов грудной полости.

Кроме того, показано магнито-резонансное исследование всего организма при подозрении на новообразование. С помощью МРТ можно проводить поиск метастазов, если диагностирована первичная опухоль.

Это далеко не полный перечень показаний для проведения магнито-резонансной томографии. Можно с уверенностью утверждать, что нет такого организма и заболевания, которое не можно было бы обнаружить при помощи такого способа диагностики. Поскольку же возможности медицины растут, то перед врачами открываются практически безграничные возможности диагностики и лечения многих опасных болезней.

Когда противопоказана магнитно-резонансная томография?

Для МРТ существует ряд абсолютных и относительных противопоказаний. К абсолютным противопоказаниям относятся такие.

1. Наличие установленного кардиостимулятора. Это связано с тем, что колебания магнитного поля способны подстраиваться под ритм сердца и таким образом могут привести к летальному исходу.
2. Наличие установленных ферромагнитных или электронных имплантатов в среднем ухе.
3. Большие имплантаты из металла.
4. Наличие в организме ферромагнитных осколков.
5. Наличие аппаратов Илизарова.

К относительным противопоказаниям (когда исследование возможно при выполнении определенных условий) относятся:

При выполнении МРТ с контрастом противопоказаниями является анемия, хроническая декомпенсированная почечная недостаточность, беременность, индивидуальная непереносимость.

Заключение

Значение магнитно-резонансной томографии для диагностики трудно переоценить. Это – совершенный, неизвазивный, безболезненный и безвредный способ обнаружения многих болезней. С внедрением магнитно-резонансной томографии улучшилось и лечение пациентов, так как врач знает точный диагноз и особенности всех процессов, протекающих в организме пациента.

Не нужно бояться проведения МРТ. Пациент не ощущает никаких болевых ощущений во время процедуры. Она ничего не имеет общего с ядерным или рентгеновским излучением. Отказываться от проведения такой процедуры также нельзя.

Ядерный магнитный резонанс (ЯМР) представляет собой ядерную спектроскопию, которая находит широкое применение во всех физических науках и промышленности. В ЯМР для зондирования собственных спиновых свойств атомных ядер используется большой магнит. Подобно любой спектроскопии, для создания перехода между энергетическими уровнями (резонанса) в ней применяется электромагнитное излучение (радиочастотные волны в диапазоне УКВ ). В химии ЯМР помогает определить структуру малых молекул. Ядерно-магнитный резонанс в медицине нашел применение в магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Открытие

ЯМР был обнаружен в 1946 году учеными Гарвардского университета Перселем , Фунтом и Торри , а также Блохом , Хансеном и Паккардом из Стэнфорда. Они заметили, что ядра 1 H и 31 P (протон и фосфор-31) способны поглощать радиочастотную энергию при воздействии на них магнитного поля, сила которого специфична для каждого атома. При поглощении они начинали резонировать, каждый элемент на своей частоте. Это наблюдение позволило провести детальный анализ строения молекулы. С тех пор ЯМР нашел применение в кинетических и структурных исследованиях твердых тел, жидкостей и газов, в результате чего было присуждено 6 Нобелевских премий.

Спин и магнитные свойства

Ядро состоит из элементарных частиц, называемых нейтронами и протонами. Они обладают собственным моментом импульса, называемым спином. Подобно электронам, спин ядра можно описать квантовыми числами I и в магнитном поле m. Атомные ядра с четным числом протонов и нейтронов имеют нулевой спин, а все остальные - ненулевой. Кроме того, молекулы с ненулевым спином обладают магнитным моментом μ = γ I , где γ - гиромагнитное отношение, константа пропорциональности между магнитным дипольным моментом и угловым, разным у каждого атома.

Магнитный момент ядра заставляет его ​​вести себя как крошечный магнит. В отсутствие внешнего магнитного поля каждый магнит ориентирован случайным образом. Во время проведения эксперимента ЯМР образец помещается во внешнее магнитное поле В 0 , что заставляет стержневые магниты с низкой энергией выравниваться в направлении B 0 , а с высокой - в противоположном. При этом происходит изменение ориентации спина магнитов. Чтобы понять эту довольно абстрактную концепцию, следует рассмотреть энергетические уровни ядра во время эксперимента ЯМР.

Энергетические уровни

Для переворота спина необходимо целое число квантов. Для любого m существует 2m + 1 энергетических уровней. Для ядра со спином 1/2 их только 2 - низкий, занимаемый спинами, выровненными с B 0 , и высокий, занятый спинами, направленными против В 0 . Каждый энергетический уровень определяется выражением Е = -mℏγВ 0 , где m - магнитное квантовое число, в этом случае +/- 1/2. Энергетические уровни для m > 1/2, известные как квадрупольные ядра, более сложны.

Разность энергий уровней равна: ΔE = ℏγВ 0 , где ℏ - постоянная Планка.

Как видно, сила магнитного поля имеет большое значение, поскольку при ее отсутствии уровни вырождаются.

Энергопереходы

Для возникновения ядерного магнитного резонанса должен произойти переворот спина между уровнями энергии. Разность энергий двух состояний соответствует энергии электромагнитного излучения, которая заставляет ядра изменять свои энергетические уровни. Для большинства ЯМР-спектрометров В 0 имеет порядок 1 Тесла (Т ), а γ - 10 7 . Следовательно, требуемое электромагнитное излучение имеет порядок 10 7 Гц. Энергия фотона представлена ​​формулой Е = hν. Поэтому частота, необходимая для поглощения, равна: ν= γВ 0 /2π.

Ядерное экранирование

Физика ЯМР основана на концепции ядерного экранирования, которое позволяет определять структуру вещества. Каждый атом окружен электронами, вращающимися вокруг ядра и действующими на его магнитное поле, что в свою очередь вызывает небольшие изменения энергетических уровней. Это и называется экранированием. Ядра, которые испытывают различные магнитные поля, связанные с локальными электронными взаимодействиями, называют неэквивалентными. Изменение энергетических уровней для переворота спина требует другой частоты, что создает новый пик в спектре ЯМР. Экранирование позволяет осуществлять структурное определение молекул путем анализа сигнала ЯМР с помощью преобразования Фурье. Результатом является спектр, состоящий из набора пиков, каждый из которых соответствует отдельной химической среде. Площадь пика прямо пропорциональна числу ядер. Подробная информация о структуре извлекается путем ЯМР-взаимодействий , по-разному изменяющих спектр.

Релаксация

Релаксация относится к явлению возврата ядер в их термодинамически стабильные после возбуждения до более высоких энергетических уровней состояния. При этом высвобождается энергия, поглощенная при переходе с более низкого уровня к более высокому. Это довольно сложный процесс, проходящий в разных временных рамках. Двумя наиболее распространенными типами релаксации являются спин-решеточная и спин-спиновая.

Чтобы понять релаксацию, необходимо рассмотреть весь образец. Если ядра поместить во внешнее магнитное поле, они создадут объемную намагниченность вдоль оси Z. Их спины также когерентны и позволяют обнаружить сигнал. ЯМР сдвигает объемную намагниченность от оси Z в плоскость XY, где она и проявляется.

Спин-решеточная релаксация характеризуется временем T 1 , необходимым для восстановления 37 % объемной намагниченности вдоль оси Z. Чем эффективнее процесс релаксации, тем меньше T 1 . В твердых телах, поскольку движение между молекулами ограничено, время релаксации велико. Измерения обычно проводятся импульсными методами.

Спин-спиновая релаксация характеризуется временем потери взаимной когерентности T 2 . Оно может быть меньшим или равным T 1 .

Ядерный магнитный резонанс и его применение

Две основные области, в которых ЯМР оказался чрезвычайно важным, - это медицина и химия, однако каждый день разрабатываются новые сферы его применения.

Ядерная магнитно-резонансная томография, более известная как магнитно-резонансная (МРТ), является важным медицинским диагностическим инструментом , используемым для изучения функций и структуры человеческого тела. Она позволяет получить подробные изображения любого органа, особенно мягких тканей, во всех возможных плоскостях. Используется в областях сердечно-сосудистой, неврологической, костно-мышечной и онкологической визуализации. В отличие от альтернативной компьютерной, магнитно-резонансная томография не использует ионизирующее излучение, следовательно совершенно безопасна.

МРТ позволяет выявить незначительные изменения, происходящие со временем. ЯМР-интроскопию можно использовать для выявления структурных аномалий, возникающих в ходе болезни, а также того, как они влияют на последующее развитие и как их прогрессирование коррелирует с психическими и эмоциональными аспектами расстройства. Поскольку МРТ плохо визуализирует кость, получаются превосходные изображения внутричерепного и внутрипозвоночного содержимого.

Принципы использования ядерно-магнитного резонанса в диагностике

Во время процедуры МРТ пациент лежит внутри массивного полого цилиндрического магнита и подвергается воздействию мощного устойчивого магнитного поля. Разные атомы в сканируемой части тела резонируют на разных частотах поля. МРТ используется прежде всего для обнаружения колебаний атомов водорода, которые содержат вращающееся протонное ядро, обладающее небольшим магнитным полем. При МРТ фоновое магнитное поле выстраивает в линию все атомы водорода в ткани. Второе магнитное поле, ориентация которого отличается от фонового, включается и выключается много раз в секунду. На определенной частоте атомы резонируют и выстраиваются в линию со вторым полем. Когда оно выключается, атомы возвращаются обратно, выравниваясь с фоном. При этом возникает сигнал, который можно принять и преобразовать в изображение.

Ткани с большим количеством водорода, который присутствует в организме человека в составе воды, создает яркое изображение, а с малым его содержанием или отсутствием (например, кости) выглядят темными . Яркость МРТ усиливается благодаря контрастному веществу, такому как гадодиамид , который пациенты принимают перед процедурой. Хотя эти агенты могут улучшить качество изображений, по своей чувствительности процедура остается относительно ограниченной. Разрабатываются методы повышения чувствительности МРТ. Наиболее перспективным является использование параводорода - формы водорода с уникальными свойствами молекулярного спина, который очень чувствителен к магнитным полям.

Улучшение характеристик магнитных полей, используемых в МРТ, привело к разработке высокочувствительных методов визуализации, таких как диффузионная и функциональная МРТ, которые предназначены для отображения очень специфических свойств тканей. Кроме того, уникальная форма МРТ-технологии , называемая магнитно-резонансной ангиографией, используется для получения изображения движения крови. Она позволяет визуализировать артерии и вены без необходимости в иглах, катетерах или контрастных агентах. Как и в случае с МРТ, эти методы помогли революционизировать биомедицинские исследования и диагностику.

Передовые компьютерные технологии позволили радиологам из цифровых сечений, полученных сканерами МРТ, создавать трехмерные голограммы, служащие для определения точной локализации повреждений. Томография особенно ценна при обследовании головного и спинного мозга, а также органов таза, таких как мочевой пузырь, и губчатой кости. Метод позволяет быстро и ясно точно определить степень поражения опухолью и оценить потенциальный ущерб от инсульта, позволяя врачам своевременно назначать надлежащее лечение. МРТ в значительной степени вытеснила артрографию , необходимость вводить контрастное вещество в сустав для визуализации хряща или повреждение связок, а также миелографию , инъекцию контрастного вещества в позвоночный канал для визуализации нарушений спинного мозга или межпозвонкового диска.

Применение в химии

Во многих лабораториях сегодня ядерный магнитный резонанс используется для определения структур важных химических и биологических соединений. В спектрах ЯМР различные пики дают информацию о конкретном химическом окружении и связях между атомами. Наиболее распространенными изотопами, используемыми для обнаружения сигналов магнитного резонанса, являются 1 H и 13 C, но подходит и множество других, таких как 2 H, 3 He , 15 N, 19 F и т. д.

Современная ЯМР-спектроскопия нашла широкое применение в биомолекулярных системах и играет важную роль в структурной биологии. С развитием методологии и инструментов ЯМР стал одним из самых мощных и универсальных спектроскопических методов анализа биомакромолекул, который позволяет характеризовать их и их комплексы размерами до 100 кДа . Совместно с рентгеновской кристаллографией это одна из двух ведущих технологий определения их структуры на атомном уровне. Кроме того, ЯМР предоставляет уникальную и важную информацию о функциях белка, которая играет решающую роль в разработке лекарственных препаратов. Некоторые из применений ЯМР-спектроскопии приведены ниже.

• Это единственный метод определения атомной структуры биомакромолекул в водных растворах в близких к физиологическим условиях или имитирующих мембрану средах.
• Молекулярная динамика. Это наиболее мощный метод количественного определения динамических свойств биомакромолекул .
• Сворачивание белка. ЯМР-спектроскопия является наиболее мощным инструментом для определения остаточных структур развернутых белков и посредников сворачивания.
• Состояние ионизации. Метод эффективен при определении химических свойств функциональных групп в биомакромолекулах, таких как ионизационные состояния ионизируемых групп активных участков ферментов .
• Ядерный магнитный резонанс позволяет изучить слабые функциональные взаимодействия между макробиомолекулами (например, с константами диссоциации в микромолярном и миллимолярном диапазонах), что невозможно сделать с помощью других методов.
• Гидратация белков. ЯМР является инструментом для обнаружения внутренней воды и ее взаимодействия с биомакромолекулами.
• Это уникальный метод прямого обнаружения взаимодействия водородных связей .
• Скрининг и разработка лекарств. В частности, метод ядерного магнитного резонанса особенно полезен при идентификации препаратов и определении конформаций соединений, связанных с ферментами, рецепторами и другими белками.
• Нативный мембранный белок. Твердотельный ЯМР обладает потенциалом определения атомных структур доменов мембранных белков в среде нативной мембраны, в том числе со связанными лигандами.
• Метаболический анализ.
• Химический анализ. Химическая идентификация и конформационный анализ синтетических и природных химических веществ.
• Материаловедение. Мощный инструмент в исследовании химии и физики полимеров.

Другие применения

Ядерный магнитный резонанс и его применение не ограничены медициной и химией. Метод оказался очень полезным и в других областях, таких как климатические испытания, нефтяная промышленность, управление процессами, ЯМР поля Земли и магнитометры. Неразрушающий контроль позволяет сэкономить на дорогих биологических образцах, которые могут быть использованы повторно, если необходимо провести больше испытаний. Ядерно-магнитный резонанс в геологии используется для измерения пористости пород и проницаемости подземных жидкостей. Магнитометры применяются для измерения различных магнитных полей.