Школа для Электрика. Все Секреты Мастерства. Образовательный сайт по электротехнике  
ElectricalSchool.info - большой образовательный проект на тему электричества и его использования. С помощью нашего сайта вы не только поймете, но и полюбите электротехнику, электронику и автоматику!
Электрические и магнитные явления в природе, науке и технике. Современная электроэнергетика, устройство электрических приборов, аппаратов и установок, промышленное электрооборудование и системы электроснабжения, электрический привод, альтернативные источники энергии и многое другое.
 
Школа для электрика | Правила электробезопасности | Электротехника | Электроника | Провода и кабели | Электрические схемы
Автоматизация | Тренды, актуальные вопросы | Передовые энергетические технологии | Обучение электриков | Контакты



 

База знаний | Избранные статьи | Эксплуатация электрооборудования | Электроснабжение
Электрические аппараты | Электрические машины | Электропривод | Электрическое освещение

 Школа для электрика / Справочник электрика / Полезная информация / Что такое ядерный магнитный резонанс и магниторезонансная томография (МРТ)


 Школа для электрика в Telegram

Что такое ядерный магнитный резонанс и магниторезонансная томография (МРТ)


Говоря о ядерном магнитном резонансе, имеют ввиду такое физическое явление, при котором ядра атомов эффективно поглощают фотоны направленной на них электромагнитной волны определенной резонансной частоты. При этом происходит изменение ориентации векторов спинов этих самых атомных ядер. Под спином в данном случае понимают собственный момент импульса атомного ядра.

Для наблюдения ядерного магнитного резонанса, исследуемый образец помещают в сильное постоянное магнитное поле, одновременно с этим включают дополнительное - слабое переменное электромагнитное поле таким образом, чтобы его вектор магнитной индукции был направлен перпендикулярно вектору магнитной индукции постоянного магнитного поля.

Так, например, для образца водорода в постоянном магнитном поле с напряженностью в 10000 Э (что соответствует магнитной индукции в 1 Тл), резонансная частота поглощаемой электромагнитной волны будет равна 42,58 МГц.

Ядерный магнитный резонанс

Давайте посмотрим, что же здесь в реальности происходит? Ядро водорода — это протон с определенным значением величины спина.

Спин — это собственный механический момент количества движения ядра, который имеет не только величину, но и направление в пространстве. И направление это может быть либо «вверх», либо «вниз».

Известно, что протон имеет и магнитный момент, направление которого (вверх или вниз) точно коррелирует со спином. Таким образом, ядро атома водорода подобно маленькому магнитику, способному занимать определенное положение в пространстве.

Но если поместить этот магнитик во внешнее магнитное поле, то что можно будет сказать о его энергии? Можно будет сказать, что его энергия в этом поле будет больше, если его собственный магнитный момент окажется направлен против поля. И его энергия в этом поле будет меньше, если собственный магнитный момент совпадает своим направлением с направлением поля. Точно так же обстоят дела и с энергией протона.

Энергия протона

Допустим, что протон, находясь во внешнем магнитном поле, пребывает в состоянии с меньшей энергией. Это значит, что его магнитный момент направлен в ту же сторону, что и вектор магнитной индукции внешнего поля.

Если в этих условиях сообщить протону достаточную порцию энергии (равную разности энергий между состояниями «против поля» и «по полю»), то он скачком перевернется, перейдя в положение, при котором его магнитный момент станет направлен против внешнего магнитного поля.

Но как сообщить протону эту порцию энергии? Направить ему квант электромагнитной волны! Частоту (называемую частотой Лармора) определяют следующим образом:

Частота Лармора

Рассмотрим теперь условный объект, содержащий много атомов водорода, а значит и много ядер атомов водорода — протонов.

Если изначально поместить такой объект во внешнее магнитное поле, то в среднем количество ядер, которые сориентируются «по полю» будет приблизительно таким же, как количество ядер, которые сориентируются «против поля».

Теперь направим на образец электромагнитную волну соответствующей резонансной частоты. Что произойдет? Те ядра, спины которых были направлены по полю, поглотят по фотону энергии из волны и перевернутся в состояние со спином «против поля».

В результате все ядра водорода станут ориентированы спинами против поля. При этом произойдет резонансное поглощение квантов облучающей волны.

Для того, чтобы поглощение произошло, напряженность постоянного магнитного поля и частота радиочастотного магнитного поля должны строго соответствовать друг другу. Математически данное соответствие выражается в так называемом гиромагнитном отношении (отношении частоты к магнитной индукции):

Отношение частоты к магнитной индукции

Сегодня ядерный магнитный резонанс (ЯМР) находит самое широкое применение в физике, химии, медицине для исследования внутренней структуры тел.

Магниторезонансная томография (МРТ) позволяет получать пространственное изображение внутренних органов живых организмов, в том числе человека.

В исследованиях магнитно-резонансной томографии (МРТ) используются электромагнитные волны для изучения органов и структур внутри тела. МРТ — это неинвазивная технология визуализации, позволяющая получать подробные трехмерные анатомические изображения без использования вредного излучения. Медицинские работники используют эти изображения для диагностики различных заболеваний, от разрывов связок до опухолей.

Магниторезонансная томография (МРТ)

Считается, что основоположником метода МРТ в том его виде, в котором он сегодня используется в медицинских томографах, был американский химик Пол Лотербур, в 1973 году опубликовавший свою статью в журнале Nature. Позже американский физик Питер Мэнсфилд усовершенствовал алгоритмы получения томографических изображений, в итоге в 2003 году Нобелевскую премию по физиологии или медицине получили оба.

А между тем, российский ученый и изобретатель Владислав Александрович Иванов еще в 1960 году направил в Комитет по делам изобретений и открытий заявку на свое изобретение «Способ определения внутреннего строения материальных объектов», где им были подробно изложены принципы МРТ. Однако авторское свидетельство Иванов получил лишь в 1984 году.

Устройство и принципы работы томографа

Для медицинских целей наибольший интерес представляют ядра атомов водорода, углерода, натрия и фосфора, ведь все они в большом количестве содержатся в теле человека. Но поскольку водорода там больше всего (около 63%), то и настроены медицинские томографы именно на ядра водорода — протоны.

Устройство магнитно-резонансного томографа

Частота для отображения протонов в медицинских МРТ-томографах находится в диапазоне от 15 до 80 Mгц, при этом чем выше напряженность постоянного магнитного поля и частота переменного — тем четче получается изображение сканируемого объекта, потому что чем выше напряженность постоянного магнитного поля — тем существеннее получается разница в количествах протонов, находящихся в «верхнем» и «нижнем» энергетических состояниях по отношению к состоянию при комнатной температуре.

Так, по отношению к разнице заселенности энергетических уровней при комнатной температуре, для одной капли воды постоянное магнитное поле напряженностью в 1,5 Тл даст 6 квадриллионов избыточных протонов.