Ядерный Магнитный Резонанс

Принцип метода ЯМР Во многом аналогичен принципу метода ЭПР. Заключается в поглощении электромагнитного излучения ядрами атомов, имеющими ненулевой магнитный момент, при их помещении в магнитное поле. Явление ЯМР открыто Блохом в 1945 году. В 1952 г. это открытие отмечено Нобелевской премией. H E -½g H -½g N N H +½g H +½g N N H E = h E = h E = 2 H=g H E = 2 H=g N N H g H = h g N N H = h

Как определить величину магнитного момента ядра? Число протонов (порядковый номер) Массовое число (число протонов + число нейтронов) Число нейтронов (массовое число – порядковый номер) Спиновое квантовое число Пример четныйчетное I = C 16 8 O четныйнечетное I = 1 / С нечетныйнечетноечетноеI = 1 / H 15 7 N нечетныйчетноенечетноеI = N 2 1 D Ядро атома будет иметь ненулевой магнитный момент, в том случае, если число протонов или число нейтронов (или оба), будут нечетные.

Энергия ядра в магнитном поле N – магнитный момент ядра P N - механический момент ядра I - спиновое квантовое число ядра e N - заряд протона m N – масса протона - гиромагнитное отношение N - ядерный магнетон Бора

Количественные различия между ЭПР и ЯМР

Свойства спектров ЯМР 1. Интенсивность сигнала. Пропорциональна концентрации магнитных ядер в образце. 2. Химический сдвиг. Зависит от степени экранировки ядер электронами. Измеряется в миллионных долях (м.д.). 3. Спин-спиновое расщепление линий. Зависит от количества магнитных ядер в непосредственной близости от поглощающего ядра. Это свойство спектра в некоторой степени аналогично сверхтонкой структуре в спектрах ЭПР. 4. Ширина линии. Как и в ЭПР спектроскопии определяется временем релаксации ядер, которое в свою очередь зависит от взаимосвязей ядер и электронов.

Химический сдвиг Электроны, прецессируя вокруг вектора внешнего магнитного поля, создают дополнительное магнитный момент: H'= *H 0 H' – дополнительный магнитный момент, H 0 – вектор внешнего магнитного поля, - константа экранирования H эфф = H 0 - H' = H 0 – H 0 = H 0 (1- ) Химический сдвиг измеряется в относительных единицах, называемых «миллионными долями» (ppm) и вычисляется как: = / 0 *10 6 = H/H 0 *10 6 CH 3 CH 2 Cl

Влияние растворителя на величину химического сдвига

Спин-спиновое расщепление линий Взаимодействие магнитных ядер друг с другом приводит к расщеплению линий. Рас- стояние между линиями характеризуется константой спин-спинового взаимодей- ствия J. Сигнал метильных протонов (CH 3 ) расщеплен на 3 пика (1:2:1), т.к. в соседней метиленовой группе есть 2 эквивалентных протона. Сигнал метиленовых протонов (CH 2 ) расщеплен на 4 пика (1:3:3:1), т.к. в соседней метильной группе есть 3 эквивалентных протона.

Блок-схема спектрометра ЯМР детектирующие катушки индуцирующие катушки управление магнитом усилитель сигнала магнит образец блок магнита блок детектора и усиления блок управления

Устройство магнита ЯМР спектрометра

Спектр ЯМР 13 С олеиновой кислоты, ppm Inten sity Atom =15.09 МГц

Спектр ЯМР 1 H олеиновой кислоты Atom, ppm A11.00 B5.35 C5.33 D2.33 E2.00 F1.63 G1.45 to 1.23 J0.88 =89.56 МГц

Спектр ЯМР 1 H олеиновой кислоты = MHz Atom, ppm A5.34 B2.34 C2.01 D1.63 E1.35 F1.31 G1.27 J0.88

Применение в медико- биологических исследованиях 1.Исследование структуры белков с помощью 1 Н-ЯМР высокого разрешения и Фурье-преобразований. 2.Изучение свойств свободной и связанной воды помощью импульсного 1 Н-ЯМР С-ЯМР спектроскопия применяется для изучения белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений. Обладает большей чувствительностью, чем 1 Н-ЯМР Р-ЯМР спектроскопия часто применяется для исследования структуры и функций фосфолипидов.

Рекомендуемая литература: Книги: Керрингтон Э. и МакЛечлан Д. Магнитный резонанс в химии. Издательство «Наука», 1972 г. Кантор Л.Р. и Шиммел П.Р. Методы биологической физики. Издательство «Мир», Веб-сайт:

Магнитная Резонансная Томография

История открытия МРТ 1946Явление ЯМР: Блох и Пурсел. 1952Нобелевская премия: Блох и Пурсел 1960Развитие ЯМР как аналитического метода мерная Томография 1973Основы МРТ - Лаутербур 1975МРТ с применением Фурье - Эрнст 19803х-мерная МРТ - Эдельштейн 1986МРТ с использованием Спинового эха 1988МРТ- ангиография - Дюмулин 2003Лаутербур и Мансфилд - Нобелевская премия

Физические основы МРТ В отсутствие поля H0H0 Внешнее магнитное поле приведит к разделению ядер на 2 группы в соответствии с распределением Больцмана = Результирующий ядерный магнитный момент является причиной появления макроскопической намагниченности M0M0

Принцип метода МРТ M0M0 M0M0 В отсутствие внешнего электромагнитного поля 90 0 электромагнитный импульс (H 1 ) электромагнитный импульс (H 1 ) H0H0 В результате воздействия электромагнитного импульса вектор намагниченности отклоняется от равновесного состояния M0M0

T 1 -релаксация (продольная) M0M0 M0M0 M Z Интервал времени за который вектор M Z возвращается в исходное состояние называется временем спин-решеточной релаксации (T 1 ). Уравнение, описывающее зависимость вектора M Z от времени выглядит следующим образом: M z = M o ( 1 - e -t/T1 ) x y z

белок H2OH2O Молекулы воды вдали от макромолекул движутся значительно быстрее, чем в непосредственной близости от молекул белка или мембран. Чем медленнее движение, тем короче время релаксации T 1. Значения времени T 1 для некоторых биологических тканей T 1 (мс) Серое в-во450Почка (Мозг.)680 Белое в-во350Почка (Корк.)570 СМЖ1500Мышцы500 Миокард380Жировая тк.230 Печень377Костный мозг490 Подж. Железа463Кожа320 Селезенка646Кишечник300

T 2 -релаксация (поперечная) M0M0 x y z M0M0 x y z Интервал времени за который величина намагниченности M XY возвращается в равновесное состояние называется временем спин-спиновой релаксации T 2. M XY = M XY0 *e -t/T2 M0M0 x y z M0M0

Значения времени T 2 для нормальных и патологически измененных тканей мозга человека Нормальные - T 2 (мс)Патологические - T 2 (мс) Серое в-во101Астроцитома180 White matter96Глиобластома170 СМЖ510Олигодендроглиома200 Мозолистое тело120Глиома260 Мост110Инфаркт170 Жировая ткань160Множеств. склероз190

Процессы релаксации Время спин-спиновой релаксации - Т 2 Время спин-решеточной релаксации – Т 1

белок H2OH2O Время спин-решеточной релаксации T 1 T1 (мс) Серое в-во450Мозговое в-во680 Белое в-во350Корковое в-во570 СМЖ1500Мышцы500 Миокард380Жировая тк.230 Печень377Костный мозг490 Поджел. Жел.463Кожа320 Селезенка646Кишечник300

Время спин-спиновой релаксации T 2 в нормальных и патологически изменённых тканях мозга нормальные - T2 (мс)патологические - T2 (мс) Серое в-во101Астроцитома180 Белое в-во96Глиобластома170 СМЖ510Олигодендроглиома200 Мозолистое тело120Глиома260 Мост110Некроз170 Жировая ткань160Множ. склероз190

Измерение пространственного распределения сигнала ЯМР Объект с несколькими центрами в однородном магнитном поле дает одиночный сигнал ЯМР

Обнаружение сигнала ЯМР в градиенте магнитного поля

Круговые проекции градиента магнитного поля Круговая проекция магнитного поля дает 2х-мерное изображение изучаемых объектов

Спад Свободной Индукции Электромагнитный импульс (RF) вызывает появление сигнала свободной индукции, который затем исчезает в результате процессов релаксации (free induction decay или FID).

Принцип преобразования Фурье Преобразование Фурье - операция, в результате которой зависимость сигнала от времени превращается в его зависимость от частоты.

Типы МРТ изображений (ро) - взешенное по протонной плотности Т 1 – взвешенное по времени Т 1 Т 2 – взвешенное по времени Т 2

Метод восстановления насыщения 90 o ЭМ импульс T 1 -релаксация Время повтора (TR) Вектор намагниченности M 0 может быть отклонен на 90 o с помощью ЭМ импульса. За время повтора (TR) система релаксирует и вектор M 0 возвращается в равновесное состояние. M0M0M0M0 M0M0M0M0 M0M0M0M0 M0M0M0M0 x y

Применение метода восстановления насыщения для измерения времени T TR (s) ССИ Измерение сигнала свободной индукции (ССИ) у тканей с различными значениями времени T 1 кровьмышцыжир TR=2000 TR=500 TR=100

МРТ изображение тканей головного мозга, полученное методом восстановления насыщения Серое вещество Белое вещество СМЖ Адипозная ткань Мышцы Менингеальная об.

Метод восстановления инвертированного сигнала M0M0M0M0 x y M0M0M0M0 M0M0M0M0 M0M0M0M0 180 o ЭМ импульсT 1 релаксация 90 o ЭМ импульс Время инверсии (TI) Вектор намагниченности M 0 может быть отклонен на 180 o с помощью ЭМ импульса. За время инверсии (TI) система релаксирует и вектор M 0 возвращается в равновесное состояние. Чтобы измерить величину вектора прикладывают второй 90 o импульс.

Изображения, полученные методом восстановления инвертированного сигнала TR = 1000 ms TI = 50 ms TR = 1000 ms TI = 250 ms TR = 1000 ms TI = 750 ms

Метод Спинового Эха M0M0M0M0 x y M0M0M0M0 M0M0M0M0 180 o импульсT 1 релаксация90 o импульс ½ времени эхо 180 o импульс Система подвергается воздействию 90 o импульса. После чего через некоторый интервал времени следует 180 o импульс. Это приводит к появлению эха. Затем следует второй 180 o импульс, который создает дополнительное эхо.

Принцип метода Спинового Эха За 90 o импульсом следует процесс релаксации, вызывающий расфазировку системы. Воздействие 180 o импульса изменяет направление процесса расфазировки, что приводит к восстановлению исходной фазы у всех элементов системы (время эхо). 90 o импульс Расфазировка Восстановление фазы Эхо 180 o импульс 90 o 180 o T2T2 Из амплитуды сигнала спинового эха может быть получена величина T 2

Изображения, полученные методом спинового эха TR = 250 ms TE = 20 ms TR = 750 ms TE = 20 ms TR = 2000 ms TE = 20 ms

Изображения позвоночника и нижних конечностей

Формулы контрастирующих веществ

Магнитно-Резонансный Томограф Внешний вид томографаОбщая схема томографа

Катушки для МРТ исследования головы и кисти

Рекомендуемая литература: Книги: Ринк П.А. Магнитный резонанс в медицине. Издательство «Blackwell», 1993 г. Веб-сайт: