Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe - ebook
Wydawnictwo:
Data wydania:
1 stycznia 2016
Format ebooka:
EPUB
Format
EPUB
czytaj
na czytniku
czytaj
na tablecie
czytaj
na smartfonie
Jeden z najpopularniejszych formatów e-booków na świecie.
Niezwykle wygodny i przyjazny czytelnikom - w przeciwieństwie do formatu
PDF umożliwia skalowanie czcionki, dzięki czemu możliwe jest dopasowanie
jej wielkości do kroju i rozmiarów ekranu. Więcej informacji znajdziesz
w dziale Pomoc.
Multiformat
E-booki w Virtualo.pl dostępne są w opcji multiformatu.
Oznacza to, że po dokonaniu zakupu, e-book pojawi się na Twoim koncie we wszystkich formatach dostępnych aktualnie dla danego tytułu.
Informacja o dostępności poszczególnych formatów znajduje się na karcie produktu.
Format
MOBI
czytaj
na czytniku
czytaj
na tablecie
czytaj
na smartfonie
Jeden z najczęściej wybieranych formatów wśród czytelników
e-booków. Możesz go odczytać na czytniku Kindle oraz na smartfonach i
tabletach po zainstalowaniu specjalnej aplikacji. Więcej informacji
znajdziesz w dziale Pomoc.
Multiformat
E-booki w Virtualo.pl dostępne są w opcji multiformatu.
Oznacza to, że po dokonaniu zakupu, e-book pojawi się na Twoim koncie we wszystkich formatach dostępnych aktualnie dla danego tytułu.
Informacja o dostępności poszczególnych formatów znajduje się na karcie produktu.
Multiformat
E-booki sprzedawane w księgarni Virtualo.pl dostępne są w opcji
multiformatu - kupujesz treść, nie format. Po dodaniu e-booka do koszyka
i dokonaniu płatności, e-book pojawi się na Twoim koncie w Mojej
Bibliotece we wszystkich formatach dostępnych aktualnie dla danego
tytułu. Informacja o dostępności poszczególnych formatów znajduje się na
karcie produktu przy okładce. Uwaga: audiobooki nie są objęte opcją
multiformatu.
czytaj
na tablecie
Aby odczytywać e-booki na swoim tablecie musisz zainstalować specjalną
aplikację. W zależności od formatu e-booka oraz systemu operacyjnego,
który jest zainstalowany na Twoim urządzeniu może to być np. Bluefire
dla EPUBa lub aplikacja Kindle dla formatu MOBI.
Informacje na temat zabezpieczenia e-booka znajdziesz na karcie produktu
w "Szczegółach na temat e-booka". Więcej informacji znajdziesz w dziale
Pomoc.
czytaj
na czytniku
Czytanie na e-czytniku z ekranem e-ink jest bardzo wygodne i nie męczy
wzroku. Pliki przystosowane do odczytywania na czytnikach to przede
wszystkim EPUB (ten format możesz odczytać m.in. na czytnikach
PocketBook) i MOBI (ten fromat możesz odczytać m.in. na czytnikach Kindle).
Informacje na temat zabezpieczenia e-booka znajdziesz na karcie produktu
w "Szczegółach na temat e-booka". Więcej informacji znajdziesz w dziale
Pomoc.
czytaj
na smartfonie
Aby odczytywać e-booki na swoim smartfonie musisz zainstalować specjalną
aplikację. W zależności od formatu e-booka oraz systemu operacyjnego,
który jest zainstalowany na Twoim urządzeniu może to być np. iBooks dla
EPUBa lub aplikacja Kindle dla formatu MOBI.
Informacje na temat zabezpieczenia e-booka znajdziesz na karcie produktu
w "Szczegółach na temat e-booka". Więcej informacji znajdziesz w dziale
Pomoc.
Czytaj fragment
Pobierz fragment
Pobierz fragment w jednym z dostępnych formatów
Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe - ebook
II uaktualnione wydanie publikacji. W podręczniku w przystępny sposób przedstawiono zagadnienia fizyczne i medyczne związane z obrazowaniem magnetyczno-rezonansowym.
Autor omawia zjawiska jądrowego rezonansu magnetycznego, leżące u podstaw spektroskopii i tomografii NMR, metody skanowania i rekonstrukcji obrazu, budowę tomografu NMR, a także opisuje tomografy różnych narządów, zarówno prawidłowe, jak i patologiczne. Szczególną uwagę poświęca czasom relaksacji, bardzo ważnym z biologicznego punktu widzenia.
| Kategoria: | Medycyna |
| Zabezpieczenie: |
Watermark
|
| ISBN: | 978-83-200-6081-2 |
| Rozmiar pliku: | 8,8 MB |
FRAGMENT KSIĄŻKI
Składam serdeczne podziękowanie za trud recenzji Panom: prof. dr. hab. A. Dobkowi z Uniwersytetu im. A. Mickiewicza w Poznaniu, prof. dr. hab. R. Bilskiemu z Uniwersytetu Jagiellońskiego w Krakowie.
Dziękuję Pani Iwonie Żuk za komputerowe opracowanie rycin.
Dziękuję również firmom: Toshiba, Siemens, General Electric za wyrażenie zgody na publikacje obrazów MR oraz autorom,
których prace zacytowałem w książce.
Toshiba: ryc. 16.2, 16.3, 16.4, 16.7, 16.8, 16.9, 16.11, 16.12, 16.13,
16.14, 16.15, 16.16. Siemens: ryc. 9.4. General Electric: ryc. 11.2, 13.4.
AutorWstęp
W roku 1895 W. K. Roentgen uzyskał pierwszy obraz radiologiczny kończyn człowieka. Od tego czasu metoda obrazowania z udziałem promieniowania Roentgena (X) była ciągle doskonalona; wymownym tego świadectwem jest obecnie powszechnie stosowana tomografia komputerowa (CT). Powstały i rozwijają się również inne metody obrazowania narządów wewnętrznych ciała bez naruszania jego ciągłości, jak np. pozytonowa tomografia emisyjna (PET), cyfrowa angiografia różnicowa (DSA), ultrasonografia (USG), tomografia NMR. Główną rolę w tych metodach spełnia obecnie tomografia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) – zwana też zeugmatografią lub, najczęściej, metodą MRI (Magnetic Resonance Imaging) – czyli obrazowanie na podstawie zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Szerokie, a także zupełnie nowe możliwości diagnostyczne i poznawcze tomografii NMR oraz jej nieinwazyjność spowodowały, że wzbudza ona zainteresowanie wielu laboratoriów na świecie i rozpowszechnia się niezwykle szybko. Zjawisko NMR zostało wykryte w roku 1946, przez niezależnie pracujące zespoły Blocha i Purcella , którym przyznano za to nagrodę Nobla w 1952 roku. Zostało ono wkrótce zastosowane w fizyce do badania właściwości jąder atomowych oraz w chemii organicznej i biochemii do badania struktury i dynamiki cząsteczek organicznych jako spektroskopia NMR.
Ogromny postęp (zwiększenie czułości i rozdzielczości) w rozwoju spektroskopii NMR nastąpił wraz z wprowadzeniem metody impulsowej badania rezonansu oraz zastosowaniem przekształcenia Fouriera do analizy sygnałów (R. Ernst, 1996 r.).
Tomografia NMR umożliwia uzyskiwanie map rozkładu (topografii) gęstości, przede wszystkim jąder atomów wodoru (protonów) oraz tzw. czasów relaksacji tych protonów, na dowolnie wybranym przekroju ciała. Wodór wchodzi w skład wody, zawartej w dużych ilościach w organizmach żywych (60–70%), a także jest składnikiem wszystkich związków organicznych; szczególnie dużo wodoru wykazują tłuszcze. Uzyskana informacja o jego rozkładzie wewnątrz organizmu jest parametrem obrazów różnicującym tkanki pod względem stopnia ich uwodnienia lub zawartości tłuszczu. Gęstość protonów i (lub) czasy relaksacji są odwzorowane poprzez jasność świecenia (stopień szarości) punktów takiej mapy, podobnie jak w metodzie CT stopień szarości odwzorowuje pochłanianie promieniowania Roentgena. Rozpoznanie wielu zmian chorobowych, jak np. różnego rodzaju guzów, obrzęku, zawału, zatoru, krwiaka, tętniaka, stłuczenia i wielu innych jest możliwe dzięki „sekcji bez sekcji”. Na uwagę zasługuje fakt, że metoda tomografii NMR zapewnia kontrastowe obrazy tkanek miękkich; substancja biała i szara w mózgu daje się dobrze rozróżnić. Metoda ta nie tylko lepiej ukazuje szczegóły anatomiczne niż tomografia komputerowa (CT), ale ujawnia dokładniej różnice pomiędzy zdrową i chorobowo zmienioną tkanką. Co więcej, rezonans wykazują nie tylko protony, ale również niektóre inne jądra, np. fosforu ³¹P; umożliwia to określenie zawartości ATP, fosfokreatyny, a pośrednio nawet pH w wybranych obszarach organizmu; odpowiednia dziedzina badań nazywana jest spektroskopią NMR in vivo. Powstały zatem możliwości badania zaburzeń metabolizmu in vivo, co znalazło już zastosowanie w badaniach niedotlenienia mózgu, metabolizmu mięśnia sercowego i wątroby, dystrofii mięśniowych i innych miopatii.
Pierwsze badania organizmów żywych wykonane techniką NMR zostały przeprowadzone w 1971 roku, kiedy to Damadian wykazał różnice czasów relaksacji protonów cząsteczek wody w fizjologicznych i zmienionych nowotworowo tkankach szczura. W 1973 roku Lauterbur opracował metodę przestrzennej lokalizacji sygnałów NMR, stwarzając podstawy rekonstrukcji obrazów badanego obiektu. Dzięki temu pierwsze obrazy NMR przekrojów ludzkiego nadgarstka uzyskano w 1977 roku . Od tego czasu datuje się rozwój produkcji urządzeń do badań metodą NMR. Początkowo najlepsze rezultaty uzyskano w obrazowaniu mózgu , obecnie wszystkie narządy i tkanki stały się dostępne do badań metodą MRI .
Zjawisko NMR jest złożone, tomograf NMR jest zaś urządzeniem skomplikowanym; w tej dziedzinie wysoce użyteczne dla medycyny są fizyka i informatyka. Tomografy NMR produkuje obecnie kilkanaście firm: Bruker, General Electric, Philips, Picker, Siemens, Toshiba i inne, ale na ich budowę mogą pozwolić sobie jedynie firmy o dużym doświadczeniu elektronicznym. Tomografy NMR stanowią już, pomimo wysokiej ceny, standardowe wyposażenie klinik, a nawet prywatnych gabinetów lekarzy. W Polsce zainstalowanych jest obecnie około 100 takich urządzeń. Należy szczególnie podkreślić, że w metodzie NMR nie używa się wysoce szkodliwych czynników – promieniowania jonizującego X ani pierwiastków radioaktywnych, stosuje się w niej pola magnetyczne i fale elektromagnetyczne z zakresu radiowego – czynniki bezpieczne dla pacjentów i personelu. Metoda NMR jest całkowicie bezpieczna (nieinwazyjna) i znajduje obecnie szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej.
Celem tej publikacji jest zapoznanie Czytelników ze zjawiskiem jądrowego rezonansu magnetycznego NMR, z koncepcją spektroskopii NMR, przejściem od spektroskopii NMR do tomografii NMR, jak też ukazanie właściwości i szerokich możliwości diagnostycznych tej nowej metody obrazowania. Wystarczy wspomnieć o możliwości wizualizacji ośrodków pobudzenia kory mózgowej przez stymulację zewnętrzną (światło, dźwięk), jak również wewnętrzną, wywołaną procesem mowy, a nawet wyobraźni.
Szczególnie dużo uwagi poświęcono, ważnym z biologicznego punktu widzenia, czasom relaksacji. Cytowane piśmiennictwo ułatwi zainteresowanym dostęp do informacji źródłowych z zakresu działania, budowy i możliwości diagnostycznych metody MRI. Książka jest przeznaczona głównie dla studentów medycyny, może być również lekturą wstępną w zakresie obrazowania magnetyczno-rezonansowego dla lekarzy różnych specjalności. Poznanie szczegółów metody NMR umożliwi lekarzowi stosowanie jej według własnej inwencji, gdyż zawiera ona potencjalnie olbrzymie możliwości diagnostyczne i poznawcze. „Piękno” metody tomografii NMR wynagrodzi Czytelnikowi intelektualny wysiłek wniesiony w jej poznanie.1 Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego
Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR), jak sama nazwa wskazuje, dotyczy jąder atomowych i jest podstawą spektroskopii i tomografii NMR. Na pierwszy rzut oka wydaje się „dziwne”, że właściwości jąder mogą być źródłem informacji o tym, co dzieje się w powłokach elektronowych atomów i cząsteczek. A jednak jądro może oddziaływać z innymi jądrami i powłokami elektronowymi – z otoczeniem, co jest źródłem informacji uzyskiwanych w spektroskopii i tomografii NMR. Warto nadmienić, że rok wcześniej od wykrycia fenomenu NMR wykryto podobne zjawisko, dotyczące jednak elektronów – elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR) lub inaczej – elektronowy rezonans spinowy (ESR). Zjawisko to jest podstawą spektroskopii ESR, która znalazła szerokie zastosowanie również w biologii i medycynie jako czuła metoda bezpośredniego wykrywania wolnych rodników. Metoda EPR nie doczekała się jeszcze tomografii w sensie tomografii NMR. Główną przeszkodą w realizacji tego pomysłu jest używana w metodzie EPR krótka długość fali – zakres mikrofal, które są silnie pochłaniane przez wodę i nie mogą wnikać do wnętrza organizmu. Prace związane z tym problemem prowadzi się jednak w wielu ośrodkach na świecie, a obecnie jest już możliwe obrazowanie sygnałów EPR z niewielkich obszarów tkanek i obiektów, np. małych zwierząt .
Tomografia NMR różni się od spektroskopii NMR tym, że ta ostatnia ogranicza się do badań in vitro w próbkach o objętościach około 1 cm³ lub in vivo na małych obszarach organizmu, natomiast tomografia daje możliwości badania całego organizmu in vivo, w tym ludzkiego. Przejście od spektroskopii NMR do tomografii NMR stało się możliwe głównie dzięki dwóm czynnikom – powstaniu impulsowej spektroskopii NMR oraz zastosowaniu komputerów do rozwiązania tego problemu.
Podamy teraz szereg potrzebnych informacji, zanim poznamy bliżej zjawisko NMR.
1.1. Moment pędu i moment magnetyczny jądra atomu
Przypomnijmy definicję momentu pędu i momentu magnetycznego , gdyż będą one często występować w dalszych rozważaniach prowadzących do wyjaśnienia istoty zjawiska NMR.
Rozpatrzmy w tym celu obiekt (kulkę) o masie m, który porusza się z prędkością po okręgu o promieniu (ryc. l.l a).
Rycina 1.1. Ilustracja do objaśnienia definicji momentu pędu i momentu magnetycznego .
Moment pędu w takim ruchu określamy jako iloczyn pędu m i promienia , czyli = × m. jest to wielkość wektorowa, której kierunek i zwrot wyznacza reguła śruby prawoskrętnej, jak to pokazano na rycinie l.l a, a wartość K = mvR.
Jeżeli poruszająca się masa posiada ładunek elektryczny, to ruch taki stanowi zamknięty obwód prądu powodujący powstawanie pola magnetycznego; można zatem traktować taki układ jako mały magnes o dwu biegunach NS – dipol magnetyczny; wiadomo bowiem, że jedynym (pierwotnym) powodem powstawania pola magnetycznego jest ruch ładunku elektrycznego. Właściwości takiego magnesu opisuje się poprzez moment magnetyczny dipolu , zdefiniowanego jako iloczyn natężenia prądu i pola powierzchni zamkniętego obwodu prądowego. Kierunek i zwrot momentu magnetycznego przyjmuje się jak pokazano na rycinie 1.1 b. Jeżeli weźmiemy pod uwagę w tym względzie atom wodoru (w ujęciu klasycznym, model planetarny), to ma on momenty ₀ i ₀ wynikające z ruchu elektronu dookoła jądra (orbitalne) i momenty _(s) i _(s) wynikające z wirowego ruchu elektronu dookoła własnej osi (spinowe) oraz momenty i jądra, którymi będziemy się bliżej interesować. Moment pędu jądra nazywa się spinem jądrowym (uwaga! w żargonie naukowym spinem jądrowym nazywa się też moment magnetyczny jądra ). Jego wartość (skwantowana) dla różnych jąder wynosi , gdzie I – tzw. jądrowa liczba spinowa, h – stała Plancka, ħ = h/2π.
Dla jąder atomu wodoru czyli protonów I = ¹/₂. Dla innych jąder liczba spinowa I może przyjmować wartości: 0, ^(l)/₂, 1,³/₂, ... 6. Zjawisko NMR można obserwować tylko dla jąder, których liczba I jest różna od zera. Oprócz interesującego nas jądra wodoru mogą to być np. izotopy: ²³Na, ³¹P, ¹³C, ^(l9)F. Warto nadmienić, że występujący często w związkach organicznych tlen ¹⁶0 i węgiel ^(I2)C posiadają spiny jądrowe równe zeru i nie są one dostępne do badania metodą NMR.
Dziękuję Pani Iwonie Żuk za komputerowe opracowanie rycin.
Dziękuję również firmom: Toshiba, Siemens, General Electric za wyrażenie zgody na publikacje obrazów MR oraz autorom,
których prace zacytowałem w książce.
Toshiba: ryc. 16.2, 16.3, 16.4, 16.7, 16.8, 16.9, 16.11, 16.12, 16.13,
16.14, 16.15, 16.16. Siemens: ryc. 9.4. General Electric: ryc. 11.2, 13.4.
AutorWstęp
W roku 1895 W. K. Roentgen uzyskał pierwszy obraz radiologiczny kończyn człowieka. Od tego czasu metoda obrazowania z udziałem promieniowania Roentgena (X) była ciągle doskonalona; wymownym tego świadectwem jest obecnie powszechnie stosowana tomografia komputerowa (CT). Powstały i rozwijają się również inne metody obrazowania narządów wewnętrznych ciała bez naruszania jego ciągłości, jak np. pozytonowa tomografia emisyjna (PET), cyfrowa angiografia różnicowa (DSA), ultrasonografia (USG), tomografia NMR. Główną rolę w tych metodach spełnia obecnie tomografia NMR (Nuclear Magnetic Resonance) – zwana też zeugmatografią lub, najczęściej, metodą MRI (Magnetic Resonance Imaging) – czyli obrazowanie na podstawie zjawiska magnetycznego rezonansu jądrowego. Szerokie, a także zupełnie nowe możliwości diagnostyczne i poznawcze tomografii NMR oraz jej nieinwazyjność spowodowały, że wzbudza ona zainteresowanie wielu laboratoriów na świecie i rozpowszechnia się niezwykle szybko. Zjawisko NMR zostało wykryte w roku 1946, przez niezależnie pracujące zespoły Blocha i Purcella , którym przyznano za to nagrodę Nobla w 1952 roku. Zostało ono wkrótce zastosowane w fizyce do badania właściwości jąder atomowych oraz w chemii organicznej i biochemii do badania struktury i dynamiki cząsteczek organicznych jako spektroskopia NMR.
Ogromny postęp (zwiększenie czułości i rozdzielczości) w rozwoju spektroskopii NMR nastąpił wraz z wprowadzeniem metody impulsowej badania rezonansu oraz zastosowaniem przekształcenia Fouriera do analizy sygnałów (R. Ernst, 1996 r.).
Tomografia NMR umożliwia uzyskiwanie map rozkładu (topografii) gęstości, przede wszystkim jąder atomów wodoru (protonów) oraz tzw. czasów relaksacji tych protonów, na dowolnie wybranym przekroju ciała. Wodór wchodzi w skład wody, zawartej w dużych ilościach w organizmach żywych (60–70%), a także jest składnikiem wszystkich związków organicznych; szczególnie dużo wodoru wykazują tłuszcze. Uzyskana informacja o jego rozkładzie wewnątrz organizmu jest parametrem obrazów różnicującym tkanki pod względem stopnia ich uwodnienia lub zawartości tłuszczu. Gęstość protonów i (lub) czasy relaksacji są odwzorowane poprzez jasność świecenia (stopień szarości) punktów takiej mapy, podobnie jak w metodzie CT stopień szarości odwzorowuje pochłanianie promieniowania Roentgena. Rozpoznanie wielu zmian chorobowych, jak np. różnego rodzaju guzów, obrzęku, zawału, zatoru, krwiaka, tętniaka, stłuczenia i wielu innych jest możliwe dzięki „sekcji bez sekcji”. Na uwagę zasługuje fakt, że metoda tomografii NMR zapewnia kontrastowe obrazy tkanek miękkich; substancja biała i szara w mózgu daje się dobrze rozróżnić. Metoda ta nie tylko lepiej ukazuje szczegóły anatomiczne niż tomografia komputerowa (CT), ale ujawnia dokładniej różnice pomiędzy zdrową i chorobowo zmienioną tkanką. Co więcej, rezonans wykazują nie tylko protony, ale również niektóre inne jądra, np. fosforu ³¹P; umożliwia to określenie zawartości ATP, fosfokreatyny, a pośrednio nawet pH w wybranych obszarach organizmu; odpowiednia dziedzina badań nazywana jest spektroskopią NMR in vivo. Powstały zatem możliwości badania zaburzeń metabolizmu in vivo, co znalazło już zastosowanie w badaniach niedotlenienia mózgu, metabolizmu mięśnia sercowego i wątroby, dystrofii mięśniowych i innych miopatii.
Pierwsze badania organizmów żywych wykonane techniką NMR zostały przeprowadzone w 1971 roku, kiedy to Damadian wykazał różnice czasów relaksacji protonów cząsteczek wody w fizjologicznych i zmienionych nowotworowo tkankach szczura. W 1973 roku Lauterbur opracował metodę przestrzennej lokalizacji sygnałów NMR, stwarzając podstawy rekonstrukcji obrazów badanego obiektu. Dzięki temu pierwsze obrazy NMR przekrojów ludzkiego nadgarstka uzyskano w 1977 roku . Od tego czasu datuje się rozwój produkcji urządzeń do badań metodą NMR. Początkowo najlepsze rezultaty uzyskano w obrazowaniu mózgu , obecnie wszystkie narządy i tkanki stały się dostępne do badań metodą MRI .
Zjawisko NMR jest złożone, tomograf NMR jest zaś urządzeniem skomplikowanym; w tej dziedzinie wysoce użyteczne dla medycyny są fizyka i informatyka. Tomografy NMR produkuje obecnie kilkanaście firm: Bruker, General Electric, Philips, Picker, Siemens, Toshiba i inne, ale na ich budowę mogą pozwolić sobie jedynie firmy o dużym doświadczeniu elektronicznym. Tomografy NMR stanowią już, pomimo wysokiej ceny, standardowe wyposażenie klinik, a nawet prywatnych gabinetów lekarzy. W Polsce zainstalowanych jest obecnie około 100 takich urządzeń. Należy szczególnie podkreślić, że w metodzie NMR nie używa się wysoce szkodliwych czynników – promieniowania jonizującego X ani pierwiastków radioaktywnych, stosuje się w niej pola magnetyczne i fale elektromagnetyczne z zakresu radiowego – czynniki bezpieczne dla pacjentów i personelu. Metoda NMR jest całkowicie bezpieczna (nieinwazyjna) i znajduje obecnie szerokie zastosowanie w diagnostyce medycznej.
Celem tej publikacji jest zapoznanie Czytelników ze zjawiskiem jądrowego rezonansu magnetycznego NMR, z koncepcją spektroskopii NMR, przejściem od spektroskopii NMR do tomografii NMR, jak też ukazanie właściwości i szerokich możliwości diagnostycznych tej nowej metody obrazowania. Wystarczy wspomnieć o możliwości wizualizacji ośrodków pobudzenia kory mózgowej przez stymulację zewnętrzną (światło, dźwięk), jak również wewnętrzną, wywołaną procesem mowy, a nawet wyobraźni.
Szczególnie dużo uwagi poświęcono, ważnym z biologicznego punktu widzenia, czasom relaksacji. Cytowane piśmiennictwo ułatwi zainteresowanym dostęp do informacji źródłowych z zakresu działania, budowy i możliwości diagnostycznych metody MRI. Książka jest przeznaczona głównie dla studentów medycyny, może być również lekturą wstępną w zakresie obrazowania magnetyczno-rezonansowego dla lekarzy różnych specjalności. Poznanie szczegółów metody NMR umożliwi lekarzowi stosowanie jej według własnej inwencji, gdyż zawiera ona potencjalnie olbrzymie możliwości diagnostyczne i poznawcze. „Piękno” metody tomografii NMR wynagrodzi Czytelnikowi intelektualny wysiłek wniesiony w jej poznanie.1 Zjawisko jądrowego rezonansu magnetycznego
Jądrowy rezonans magnetyczny (NMR), jak sama nazwa wskazuje, dotyczy jąder atomowych i jest podstawą spektroskopii i tomografii NMR. Na pierwszy rzut oka wydaje się „dziwne”, że właściwości jąder mogą być źródłem informacji o tym, co dzieje się w powłokach elektronowych atomów i cząsteczek. A jednak jądro może oddziaływać z innymi jądrami i powłokami elektronowymi – z otoczeniem, co jest źródłem informacji uzyskiwanych w spektroskopii i tomografii NMR. Warto nadmienić, że rok wcześniej od wykrycia fenomenu NMR wykryto podobne zjawisko, dotyczące jednak elektronów – elektronowy rezonans paramagnetyczny (EPR) lub inaczej – elektronowy rezonans spinowy (ESR). Zjawisko to jest podstawą spektroskopii ESR, która znalazła szerokie zastosowanie również w biologii i medycynie jako czuła metoda bezpośredniego wykrywania wolnych rodników. Metoda EPR nie doczekała się jeszcze tomografii w sensie tomografii NMR. Główną przeszkodą w realizacji tego pomysłu jest używana w metodzie EPR krótka długość fali – zakres mikrofal, które są silnie pochłaniane przez wodę i nie mogą wnikać do wnętrza organizmu. Prace związane z tym problemem prowadzi się jednak w wielu ośrodkach na świecie, a obecnie jest już możliwe obrazowanie sygnałów EPR z niewielkich obszarów tkanek i obiektów, np. małych zwierząt .
Tomografia NMR różni się od spektroskopii NMR tym, że ta ostatnia ogranicza się do badań in vitro w próbkach o objętościach około 1 cm³ lub in vivo na małych obszarach organizmu, natomiast tomografia daje możliwości badania całego organizmu in vivo, w tym ludzkiego. Przejście od spektroskopii NMR do tomografii NMR stało się możliwe głównie dzięki dwóm czynnikom – powstaniu impulsowej spektroskopii NMR oraz zastosowaniu komputerów do rozwiązania tego problemu.
Podamy teraz szereg potrzebnych informacji, zanim poznamy bliżej zjawisko NMR.
1.1. Moment pędu i moment magnetyczny jądra atomu
Przypomnijmy definicję momentu pędu i momentu magnetycznego , gdyż będą one często występować w dalszych rozważaniach prowadzących do wyjaśnienia istoty zjawiska NMR.
Rozpatrzmy w tym celu obiekt (kulkę) o masie m, który porusza się z prędkością po okręgu o promieniu (ryc. l.l a).
Rycina 1.1. Ilustracja do objaśnienia definicji momentu pędu i momentu magnetycznego .
Moment pędu w takim ruchu określamy jako iloczyn pędu m i promienia , czyli = × m. jest to wielkość wektorowa, której kierunek i zwrot wyznacza reguła śruby prawoskrętnej, jak to pokazano na rycinie l.l a, a wartość K = mvR.
Jeżeli poruszająca się masa posiada ładunek elektryczny, to ruch taki stanowi zamknięty obwód prądu powodujący powstawanie pola magnetycznego; można zatem traktować taki układ jako mały magnes o dwu biegunach NS – dipol magnetyczny; wiadomo bowiem, że jedynym (pierwotnym) powodem powstawania pola magnetycznego jest ruch ładunku elektrycznego. Właściwości takiego magnesu opisuje się poprzez moment magnetyczny dipolu , zdefiniowanego jako iloczyn natężenia prądu i pola powierzchni zamkniętego obwodu prądowego. Kierunek i zwrot momentu magnetycznego przyjmuje się jak pokazano na rycinie 1.1 b. Jeżeli weźmiemy pod uwagę w tym względzie atom wodoru (w ujęciu klasycznym, model planetarny), to ma on momenty ₀ i ₀ wynikające z ruchu elektronu dookoła jądra (orbitalne) i momenty _(s) i _(s) wynikające z wirowego ruchu elektronu dookoła własnej osi (spinowe) oraz momenty i jądra, którymi będziemy się bliżej interesować. Moment pędu jądra nazywa się spinem jądrowym (uwaga! w żargonie naukowym spinem jądrowym nazywa się też moment magnetyczny jądra ). Jego wartość (skwantowana) dla różnych jąder wynosi , gdzie I – tzw. jądrowa liczba spinowa, h – stała Plancka, ħ = h/2π.
Dla jąder atomu wodoru czyli protonów I = ¹/₂. Dla innych jąder liczba spinowa I może przyjmować wartości: 0, ^(l)/₂, 1,³/₂, ... 6. Zjawisko NMR można obserwować tylko dla jąder, których liczba I jest różna od zera. Oprócz interesującego nas jądra wodoru mogą to być np. izotopy: ²³Na, ³¹P, ¹³C, ^(l9)F. Warto nadmienić, że występujący często w związkach organicznych tlen ¹⁶0 i węgiel ^(I2)C posiadają spiny jądrowe równe zeru i nie są one dostępne do badania metodą NMR.
więcej..
