Naiste psühholoogia

Magnetresonants. NMR mannekeenide jaoks ehk kümme peamist fakti tuumamagnetresonantsi bakalaureuseõppe tuumamagnetresonantsi kohta

Molekuli erinevates keskkondades asuvad samad aatomituumad näitavad erinevaid NMR signaale. Sellise TMR signaali erinevus standardaine signaalist võimaldab määrata nn keemilist nihet, mis on tingitud uuritava aine keemilisest struktuurist. NMR-tehnikates on palju võimalusi määrata ainete keemilist struktuuri, molekulide konformatsioone, vastastikuse mõju mõjusid ja molekulisiseseid transformatsioone.

Entsüklopeediline YouTube

1 / 5

Tuumamagnetresonantsi nähtus põhineb pooltäisarvulise spinniga 1/2, 3/2, 5/2… nukleonitest koosnevate aatomituumade magnetilistel omadustel. Paarismassi ja laenguarvuga tuumadel (paaris-paaris tuumadel) puudub magnetmoment.

Tuuma nurkimpulss ja magnetmoment on kvantiseeritud ning projektsiooni omaväärtused ning nurk- ja magnetmomendid suvaliselt valitud koordinaatsüsteemi z-teljel määratakse seosega.

J z = ℏ μ I (\displaystyle J_(z)=\hbar \mu _(I)) ja μ z = γ ℏ μ I (\displaystyle \mu _(z)=\gamma \hbar \mu _(I)),

kus μ I (\displaystyle \mu _(I))- tuuma omaseisundi magnet-kvant-arv, selle väärtused määratakse tuuma spinn-kvantarvuga

μ I = I , I − 1 , I − 2 , . . . , − I (\displaystyle \mu _(I)=I,I-1,I-2,...,-I),

see tähendab, et tuum võib sees olla 2 I + 1 (\displaystyle 2I+1) osariigid.

Niisiis, prootoni (või mõne muu tuuma, millel on I = 1/2- 13 C, 19 F, 31 P jne) saab olla ainult kahes olekus

μ z = ± γ ℏ I = ± ℏ / 2 (\displaystyle \mu _(z)=\pm \gamma \hbar I=\pm \hbar /2),

sellist tuuma saab kujutada magnetdipoolina, mille z-komponent võib olla orienteeritud paralleelselt või antiparalleelselt suvalise koordinaatsüsteemi z-telje positiivse suunaga.

Tuleb märkida, et välise magnetvälja puudumisel on kõik olekud erinevad μ z (\displaystyle \mu _(z)) neil on sama energia, st nad on degenereerunud. Degeneratsioon eemaldatakse välises magnetväljas, kusjuures lõhenemine degenereerunud oleku suhtes on võrdeline välise magnetvälja ja oleku magnetmomendiga ning spinn-kvantarvuga tuuma puhul I välises magnetväljas süsteem 2I+1 energiatasemed − μ z B 0 , − I − 1 I B 0 , . . . , I − 1 I B 0 , μ z B 0 (\displaystyle -\mu _(z)B_(0),-(\frac (I-1)(I))B_(0),...,(\ frac (I-1) (I))B_(0),\mu_(z)B_(0)), see tähendab, et tuumamagnetresonantsil on sama olemus kui Zeemani efektil, mis tekib magnetväljas elektroonikanivoo lõhenemisel.

Kõige lihtsamal juhul spinniga tuuma puhul c I = 1/2- näiteks prootoni jaoks, lõhenemine

δ E = ± μ z B 0 (\displaystyle \delta E=\pm \mu _(z)B_(0))

ja spinniolekute energiaerinevus

Δ E = 2 μ z B 0 (\displaystyle \Delta E=2\mu _(z)B_(0))

NMR-i jälgimist hõlbustab asjaolu, et enamikes ainetes puuduvad aatomitel aatomikestade elektronide püsimagnetmomendid külmumis orbitaalmomendi nähtuse tõttu.

NMR resonantssagedused metallides on kõrgemad kui diamagnetites (Knight shift).

Tuumade keemiline polarisatsioon

Kui teatud keemilised reaktsioonid kulgevad magnetväljas, näitavad reaktsiooniproduktide NMR-spektrid kas anomaalselt suurt neeldumist või raadiokiirgust. See asjaolu näitab tuuma Zeemani tasemete mittetasakaalulist populatsiooni reaktsiooniproduktide molekulides. Madalama taseme ülerahvastatusega kaasneb ebanormaalne imendumine. Rahvastiku ümberpööramine (ülemine tase on rohkem asustatud kui alumine) toob kaasa raadiokiirguse. Seda nähtust nimetatakse tuumade keemiliseks polarisatsiooniks.

Mõnede aatomituumade larmorsagedused

tuum	Larmori sagedus MHz-des 0,5 Tesla juures	Larmori sagedus MHz 1 Tesla juures	Larmori sagedus MHz-des 7,05 Tesla juures
1 H (vesinik)	21,29	42,58	300.18
²D (deuteerium)	3,27	6,53	46,08
13 C (süsinik)	5,36	10,71	75,51
23 Na (naatrium)	5,63	11,26	79.40
39K (kaalium)	1,00	1,99

Prootonite resonantsi sagedus jääb lühilainete vahemikku (lainepikkus on umbes 7 m).

NMR rakendamine

Spektroskoopia

Seadmed

NMR-spektromeetri süda on võimas magnet. Purcelli poolt esmakordselt praktikasse viidud katses asetati umbes 5 mm läbimõõduga klaasampulli pandud proov tugeva elektromagneti pooluste vahele. Seejärel hakkab ampull magnetvälja ühtluse parandamiseks pöörlema ja sellele mõjuvat magnetvälja suurendatakse järk-järgult. Kiirgusallikana kasutatakse kvaliteetset RF generaatorit. Suureneva magnetvälja toimel hakkavad tuumad, millele spektromeeter on häälestatud, resoneerima. Sel juhul resoneerivad varjestatud tuumad sagedusega, mis on veidi madalam kui elektronkestadeta tuumad. Energia neeldumine salvestatakse RF-sillaga ja seejärel kaardisalvestiga. Sagedust suurendatakse, kuni see jõuab teatud piirini, millest kõrgemal on resonants võimatu.

Kuna sillalt tulevad hoovused on väga väikesed, ei piirdu need ühe spektri võtmisega, vaid teevad mitukümmend möödasõitu. Kõik vastuvõetud signaalid võetakse kokku lõplikul graafikul, mille kvaliteet sõltub seadme signaali-müra suhtest.

Selle meetodi puhul eksponeeritakse proovi konstantse sagedusega raadiosagedusliku kiirgusega, samal ajal kui magnetvälja tugevus muutub, mistõttu seda nimetatakse ka pidevkiirguse meetodiks (CW, continous wave).

Traditsioonilisel NMR-spektroskoopia meetodil on palju puudusi. Esiteks kulub iga spektri loomiseks palju aega. Teiseks on see väliste häirete puudumise suhtes väga valiv ja reeglina on saadud spektritel märkimisväärne müra. Kolmandaks ei sobi see kõrgsagedusspektromeetrite (300, 400, 500 ja enam MHz) loomiseks. Seetõttu kasutatakse tänapäevastes NMR-seadmetes nn impulssspektroskoopia (PW) meetodit, mis põhineb vastuvõetud signaali Fourier' teisendusel. Praegu on kõik NMR-spektromeetrid ehitatud võimsate konstantse magnetväljaga ülijuhtivate magnetite baasil.

Erinevalt CW-meetodist toimub impulssversioonis tuumade ergastamine mitte "konstantse lainega", vaid lühikese, mitme mikrosekundi pikkuse impulsi abil. Impulsi sageduskomponentide amplituudid vähenevad kauguse suurenedes ν 0-st. Kuid kuna on soovitav, et kõiki tuumasid kiiritataks võrdselt, on vaja kasutada "kõvasid impulsse", see tähendab lühikesi suure võimsusega impulsse. Impulsi kestus valitakse nii, et sagedusriba on ühe või kahe suurusjärgu võrra suurem kui spektri laius. Võimsus ulatub mitme tuhande vatini.

Impulssspektroskoopia tulemusena ei saada tavalist nähtavate resonantsipiikidega spektrit, vaid summutatud resonantsvõnkumiste kujutist, milles on segunenud kõik signaalid kõigist resoneerivatest tuumadest - nn vaba induktsiooni lagunemine (FID, vaba induktsiooni lagunemine). Selle spektri teisendamiseks kasutatakse matemaatilisi meetodeid, nn Fourier' teisendust, mille järgi saab mis tahes funktsiooni esitada harmooniliste võnkumiste hulga summana.

NMR spektrid

Kvalitatiivseks analüüsiks NMR abil kasutatakse spektraalanalüüsi, mis põhineb selle meetodi sellistel märkimisväärsetel omadustel:

teatud funktsionaalrühmadesse kuuluvate aatomite tuumade signaalid asuvad spektri rangelt määratletud osades;
piigiga piiratud integraalpind on rangelt võrdeline resoneerivate aatomite arvuga;
tuumad, mis asuvad läbi 1-4 sideme, on võimelised tootma multiplettsignaale nn. lõheneb üksteise peale.

Signaali asukohta NMR-spektrites iseloomustab nende keemiline nihe võrdlussignaali suhtes. Viimasena 1H ja13C NMR puhul kasutatakse tetrametüülsilaani Si(CH3)4 (TMS). Keemilise nihke ühik on instrumendi sageduse osad miljoni kohta (ppm). Kui võtta TMS-signaal 0-ks ja lugeda signaali nihet nõrgale väljale positiivseks keemiliseks nihkeks, siis saame nn δ skaala. Kui tetrametüülsilaani resonants on võrdne 10 ppm ja pöörake märgid ümber, siis on tulemuseks skaala τ, mida praegu praktiliselt ei kasutata. Kui aine spekter on tõlgendamiseks liiga keeruline, võib skriinimiskonstantide arvutamiseks kasutada kvantkeemilisi meetodeid ja nende põhjal signaale korreleerida.

NMR introskoopia

Tuumamagnetresonantsi nähtust saab kasutada mitte ainult füüsikas ja keemias, vaid ka meditsiinis: inimkeha on kõigi samade orgaaniliste ja anorgaaniliste molekulide kombinatsioon.

Selle nähtuse jälgimiseks asetatakse objekt konstantsesse magnetvälja ja eksponeeritakse raadiosagedus- ja gradientmagnetväljadele. Uuritavat objekti ümbritsevas induktiivpoolis tekib muutuv elektromotoorjõud (EMF), mille amplituud-sagedusspekter ja ajasiirde karakteristikud kannavad teavet resoneerivate aatomituumade ruumilise tiheduse, aga ka muude ainult spetsiifiliste parameetrite kohta. tuumamagnetresonantsi jaoks. Selle teabe arvutitöötlemisel saadakse kolmemõõtmeline kujutis, mis iseloomustab keemiliselt ekvivalentsete tuumade tihedust, tuumamagnetresonantsi relaksatsiooniaegu, vedeliku voolukiiruste jaotust, molekulide difusiooni ja biokeemilisi ainevahetusprotsesse eluskudedes.

Nähtuse olemus
Kõigepealt tuleb märkida, et kuigi selle nähtuse nimes esineb sõna "tuuma", ei ole NMR-il midagi pistmist tuumafüüsikaga ega ka radioaktiivsusega. Kui me räägime rangest kirjeldusest, siis ei saa ilma kvantmehaanika seadusteta hakkama. Nende seaduste kohaselt võib magnetsüdamiku interaktsioonienergia välise magnetväljaga võtta vaid mõne diskreetse väärtuse. Kui magnettuumi kiiritatakse vahelduva magnetväljaga, mille sagedus vastab nende diskreetsete energiatasemete erinevusele, väljendatuna sagedusühikutes, siis hakkavad magnettuumad liikuma ühelt tasandilt teisele, neelates samal ajal vahelduva magnetvälja energiat. valdkonnas. See on magnetresonantsi nähtus. See seletus on vormiliselt õige, kuid mitte väga selge. On veel üks seletus, ilma kvantmehaanikata. Magnetsüdamikku võib käsitleda kui ümber oma telje pöörlevat elektriliselt laetud kuuli (kuigi rangelt võttes see nii ei ole). Elektrodünaamika seaduste kohaselt põhjustab laengu pöörlemine magnetvälja, st tuuma magnetmomendi ilmnemist, mis on suunatud piki pöörlemistelge. Kui see magnetmoment asetada konstantsesse välisvälja, siis hakkab selle momendi vektor pretsesseerima, st pöörlema ümber välisvälja suuna. Samamoodi pretsesseerib (pöörleb) pöörleva ratta telg vertikaali ümber, kui seda lahti kerida mitte rangelt vertikaalselt, vaid teatud nurga all. Sel juhul mängib magnetvälja rolli gravitatsioonijõud.

Presssioonisageduse määravad nii tuuma omadused kui ka magnetvälja tugevus: mida tugevam väli, seda suurem on sagedus. Siis, kui tuumale mõjub lisaks konstantsele välisele magnetväljale ka vahelduv magnetväli, hakkab tuum selle väljaga suhtlema - see justkui kõigub tuuma tugevamalt, pretsessiooni amplituud suureneb ja tuum neelab vahelduva välja energiat. See juhtub aga ainult resonantsi tingimustes, st pretsessioonisageduse ja välise vahelduva välja sageduse kokkulangemisel. See näeb välja nagu klassikaline näide keskkooli füüsikast – sõdurid marssivad üle silla. Kui sammusagedus langeb kokku silla omasagedusega, siis sild kõigub aina rohkem. Eksperimentaalselt väljendub see nähtus vahelduva välja neeldumise sõltuvuses selle sagedusest. Resonantsi hetkel suureneb neeldumine järsult ja kõige lihtsam magnetresonantsspekter näeb välja selline:
Fourier spektroskoopia
Esimesed NMR-spektromeetrid töötasid täpselt nii, nagu eespool kirjeldatud – proov asetati konstantsesse magnetvälja ja sellele rakendati pidevalt RF-kiirgust. Siis muutus sujuvalt kas vahelduva välja sagedus või konstantse magnetvälja intensiivsus. Vahelduvvälja energia neeldumine registreeriti raadiosagedusliku silla abil, mille signaal väljastati salvestisse või ostsilloskoobi. Kuid seda signaali registreerimise meetodit pole pikka aega kasutatud. Kaasaegsetes NMR-spektromeetrites registreeritakse spekter impulsside abil. Tuumade magnetmomendid ergastatakse lühikese võimsa impulsiga, misjärel registreeritakse signaal, mis indutseeritakse RF mähises vabalt pretsesseerivate magnetmomentide abil. See signaal väheneb järk-järgult nullini, kui magnetmomendid taastuvad tasakaalu (seda protsessi nimetatakse magnetiliseks lõõgastumiseks). NMR-spekter saadakse sellest signaalist Fourier' teisenduse abil. See on standardne matemaatiline protseduur, mis võimaldab jagada mis tahes signaali sagedusharmoonikuteks ja seeläbi saada selle signaali sagedusspekter. See spektri salvestamise meetod võimaldab teil oluliselt vähendada mürataset ja teha katseid palju kiiremini.

Üks ergastusimpulss spektri salvestamiseks on lihtsaim NMR-katse. Selliseid impulsse, erineva kestuse, amplituudiga, nendevahelise viivitusega jne, võib katses olla aga palju, olenevalt sellest, milliseid manipulatsioone on uurijal vaja tuumamagnetmomentide süsteemiga teha. Peaaegu kõik need impulsside jadad lõpevad aga sama asjaga – vaba pretsessioonisignaali salvestamisega, millele järgneb Fourier’ teisendus.
Magnetilised vastasmõjud aines
Iseenesest jääks magnetresonants vaid huvitavaks füüsikaliseks nähtuseks, kui poleks tuumade omavahelisi magnetilisi vastastikmõjusid ja molekuli elektronkihiga. Need interaktsioonid mõjutavad resonantsi parameetreid ning nende abiga saab TMR abil saada mitmesugust teavet molekulide omaduste kohta – nende orientatsiooni, ruumilise struktuuri (konformatsiooni), molekulidevahelise interaktsiooni, keemilise vahetuse, pöörlemise ja translatsiooni dünaamika kohta. Tänu sellele on NMR-st saanud väga võimas vahend ainete uurimiseks molekulaarsel tasemel, mida kasutatakse laialdaselt mitte ainult füüsikas, vaid peamiselt keemias ja molekulaarbioloogias. Ühe sellise interaktsiooni näide on niinimetatud keemiline nihe. Selle olemus on järgmine: molekuli elektronkiht reageerib välisele magnetväljale ja püüab seda sõeluda – osaline magnetvälja sõelumine toimub kõigis diamagnetilistes ainetes. See tähendab, et molekulis olev magnetväli erineb välisest magnetväljast väga vähesel määral, mida nimetatakse keemiliseks nihkeks. Samas on elektronkihi omadused molekuli erinevates osades erinevad ning erinev on ka keemiline nihe. Sellest tulenevalt erinevad ka tuumade resonantstingimused molekuli erinevates osades. See võimaldab spektris eristada keemiliselt mitteekvivalentseid tuumasid. Näiteks kui võtta puhta vee vesiniku tuumade (prootonite) spekter, siis on selles ainult üks rida, kuna mõlemad prootonid H 2 O molekulis on täpselt samad. Kuid metüülalkoholi CH 3 OH puhul on spektris juba kaks joont (kui muud magnetilised vastasmõjud on tähelepanuta jäetud), kuna prootoneid on kahte tüüpi - metüülrühma CH 3 prootonid ja hapnikuaatomiga seotud prooton. Molekulide keerukamaks muutudes suureneb joonte arv ja kui võtta nii suur ja keeruline molekul valguks, siis antud juhul näeb spekter välja umbes selline:
Magnetsüdamikud
TMR-i saab jälgida erinevatel tuumadel, kuid tuleb öelda, et kõigil tuumadel ei ole magnetmomenti. Tihti juhtub, et mõnel isotoopil on magnetmoment, samas kui teistel sama tuuma isotoopidel puudub. Kokku on erinevate keemiliste elementide isotoobid, millel on magnettuumad, üle saja, kuid uuringutes ei kasutata tavaliselt üle 1520 magnettuuma, kõik muu on eksootiline. Igal tuumal on oma iseloomulik magnetvälja ja pretsessioonisageduse suhe, mida nimetatakse güromagnetiliseks suhteks. Kõikide tuumade puhul on need suhted teada. Neid kasutades saab valida sageduse, mille juures antud magnetvälja puhul uurijale vajalikku tuumade signaali vaadeldakse.

NMR jaoks on kõige olulisemad tuumad prootonid. Neid leidub looduses kõige rohkem ja neil on väga kõrge tundlikkus. Keemia ja bioloogia jaoks on süsiniku, lämmastiku ja hapniku tuumad väga olulised, kuid teadlastel nendega eriti ei vedanud: enamlevinud süsiniku ja hapniku isotoobid 12 C ja 16 O ei oma magnetmomenti, lämmastiku isotoobil 14 N on hetk, kuid see on mitmel põhjusel katsete jaoks väga ebamugav. TMR-katseteks sobivad 13 C, 15 N ja 17 O isotoobid, kuid nende loomulik arvukus on väga madal ja tundlikkus väga madal võrreldes prootonitega. Seetõttu valmistatakse NMR-uuringuteks sageli spetsiaalseid isotooprikastatud proove, milles ühe või teise tuuma looduslik isotoop asendatakse katseteks vajalikuga. Enamasti on see protseduur väga keeruline ja kulukas, kuid mõnikord on see ainus viis vajaliku teabe saamiseks.
Elektronide paramagnetiline ja kvadrupoolresonants
Rääkides TMR-ist, ei saa mainimata jätta veel kahte seotud füüsikalist nähtust – elektronide paramagnetresonantsi (EPR) ja tuumakvadrupoolresonantsi (NQR). EPR on olemuselt sarnane NMR-ga, erinevus seisneb selles, et resonantsi ei täheldata mitte aatomituumade, vaid aatomi elektronkihi magnetmomentidel. EPR-i saab jälgida ainult nendes molekulides või keemilistes rühmades, mille elektronkiht sisaldab nn paarimata elektroni, siis on kestal nullist erinev magnetmoment. Selliseid aineid nimetatakse paramagnetiteks. EPR-i, nagu ka NMR-i, kasutatakse ka ainete erinevate struktuursete ja dünaamiliste omaduste uurimiseks molekulaarsel tasemel, kuid selle ulatus on palju kitsam. See on peamiselt tingitud asjaolust, et enamik molekule, eriti eluslooduses, ei sisalda paarituid elektrone. Mõnel juhul on võimalik kasutada nn paramagnetilist sondi ehk keemilist rühma, millel on paaritu elektron, mis seondub uuritava molekuliga. Kuid sellel lähenemisviisil on ilmsed puudused, mis piiravad selle meetodi võimalusi. Lisaks puudub EPR-is nii kõrge spektraalne eraldusvõime (st võime eristada spektris üht joont teisest) kui NMR-is.

NQR olemust on kõige raskem seletada "sõrmede peal". Mõnel tuumal on nn elektriline kvadrupoolmoment. See moment iseloomustab tuuma elektrilaengu jaotuse kõrvalekallet sfäärilisest sümmeetriast. Selle hetke interaktsioon aine kristalse struktuuriga tekitatud elektrivälja gradiendiga viib tuuma energiatasemete lõhenemiseni. Sel juhul võib resonantsi jälgida sagedusel, mis vastab nende tasemete vahelistele üleminekutele. Erinevalt NMR-ist ja EPR-st ei vaja NQR välist magnetvälja, kuna taseme jagamine toimub ilma selleta. NQR-i kasutatakse ka ainete uurimiseks, kuid selle ulatus on veelgi kitsam kui EPR-il.
NMR eelised ja puudused

NMR on kõige võimsam ja informatiivsem meetod molekulide uurimiseks. Rangelt võttes ei ole see üks meetod, vaid suur hulk erinevat tüüpi katseid, st impulsside järjestusi. Kuigi need kõik põhinevad NMR-nähtusel, on kõik need katsed mõeldud konkreetse konkreetse teabe saamiseks. Nende katsete arvu mõõdetakse kümnete, kui mitte sadadega. Teoreetiliselt suudab NMR, kui mitte kõike, siis peaaegu kõike, mida kõik teised eksperimentaalsed meetodid molekulide struktuuri ja dünaamika uurimiseks suudavad, kuigi praktikas pole see muidugi kaugeltki alati teostatav. NMR-i üks peamisi eeliseid on see, et ühelt poolt on selle looduslikud sondid, st magnettuumad, jaotunud kogu molekulis, ja teisest küljest võimaldab see neid tuumasid üksteisest eristada ja saada. ruumiliselt selektiivsed andmed molekuli omaduste kohta. Peaaegu kõik muud meetodid annavad teavet, mis on keskmistatud kogu molekuli kohta või ainult selle ühe osa kohta.

NMR-il on kaks peamist puudust. Esiteks on see madal tundlikkus võrreldes enamiku teiste katsemeetoditega (optiline spektroskoopia, fluorestsents, EPR jne). See toob kaasa asjaolu, et müra keskmistamiseks tuleb signaali pikka aega koguda. Mõnel juhul võib NMR-katset läbi viia isegi mitu nädalat. Teiseks on see selle kõrge hind. NMR-spektromeetrid kuuluvad kõige kallimate teaduslike instrumentide hulka, maksavad vähemalt sadu tuhandeid dollareid, kusjuures kõige kallimad spektromeetrid maksavad mitu miljonit. Mitte kõik laborid, eriti Venemaal, ei saa endale sellist teaduslikku varustust lubada.
Magnetid NMR spektromeetrite jaoks
Spektromeetri üks olulisemaid ja kallimaid osi on magnet, mis loob pideva magnetvälja. Mida tugevam on väli, seda suurem on tundlikkus ja spektraalne eraldusvõime, mistõttu teadlased ja insenerid püüavad pidevalt saada võimalikult kõrgeid välju. Magnetvälja tekitab solenoidis olev elektrivool – mida tugevam on vool, seda suurem on väli. Voolu on aga võimatu lõputult suurendada, väga suure voolu korral hakkab solenoidjuhe lihtsalt sulama. Seetõttu on ülijuhtivaid magneteid, st magneteid, mille solenoidtraat on ülijuhtivas olekus, kasutatud kõrge väljaga NMR-spektromeetrite jaoks väga pikka aega. Sel juhul on traadi elektritakistus null ja ühegi vooluväärtuse juures energiat ei eraldu. Ülijuhtivus on saavutatav ainult väga madalatel temperatuuridel, vaid mõne Kelvini kraadi juures – see on vedela heeliumi temperatuur. (Kõrgetemperatuuriline ülijuhtivus on veel vaid puhtalt fundamentaaluuringute küsimus.) Just nii madala temperatuuri hoidmisega on ühendatud kõik tehnilised raskused magnetite projekteerimisel ja tootmisel, mis põhjustavad nende kõrget maksumust. Ülijuhtiv magnet on ehitatud termose matrjoška põhimõttel. Solenoid asub keskel, vaakumkambris. Seda ümbritseb vedelat heeliumi sisaldav kest. Seda kesta ümbritseb läbi vaakumkihi vedela lämmastiku kest. Vedela lämmastiku temperatuur on miinus 196 kraadi Celsiuse järgi, lämmastikku on vaja selleks, et heelium aurustuks võimalikult aeglaselt. Lõpuks eraldatakse lämmastiku kest toatemperatuurist välise vaakumkihiga. Selline süsteem suudab ülijuhtiva magneti soovitud temperatuuri säilitada väga pikka aega, kuigi selleks on vaja regulaarset vedela lämmastiku ja heeliumi valamist magnetisse. Selliste magnetite eeliseks on lisaks võimele saada kõrgeid magnetvälju ka see, et nad ei tarbi energiat: pärast magneti käivitumist jookseb vool läbi ülijuhtivate juhtmete praktiliselt ilma kadudeta mitu aastat.
Tomograafia
Tavalistes NMR spektromeetrites püütakse magnetvälja võimalikult ühtlaseks muuta, see on vajalik spektraalse lahutusvõime parandamiseks. Kui aga proovi sees olev magnetväli muudetakse väga ebahomogeenseks, avab see NMR-i kasutamiseks põhimõtteliselt uued võimalused. Välja ebahomogeensuse tekitavad nn gradientmähised, mis on paaris põhimagnetiga. Sel juhul on magnetvälja tugevus proovi erinevates osades erinev, mis tähendab, et NMR signaali saab jälgida mitte kogu proovist, nagu tavalises spektromeetris, vaid ainult selle kitsast kihist, on täidetud resonantsi tingimused, st soovitud magnetvälja ja sageduse suhe. Muutes magnetvälja suurust (või, mis on sisuliselt sama asi, signaali jälgimise sagedust), saate muuta signaali andvat kihti. Seega on võimalik proovi "skannida" kogu selle mahu ulatuses ja "näha" selle sisemist kolmemõõtmelist struktuuri ilma proovi mingilgi mehaanilisel viisil hävitamata. Praeguseks on välja töötatud suur hulk tehnikaid, mis võimaldavad mõõta erinevaid NMR parameetreid (spektraalkarakteristikud, magnetrelaksatsiooniajad, isedifusioonikiirus ja mõned teised) proovi sees ruumilise eraldusvõimega. Praktilisest aspektist kõige huvitavam ja olulisem oli NMR-tomograafia kasutamine meditsiinis. Sel juhul on uuritavaks "prooviks" inimkeha. NMR-kuvamine on üks tõhusamaid ja ohutumaid (aga ka kallimaid) diagnostikavahendeid erinevates meditsiinivaldkondades alates onkoloogiast kuni sünnitusabini. Huvitav on märkida, et arstid ei kasuta selle meetodi nimetuses sõna "tuuma", sest mõned patsiendid seostavad seda tuumareaktsioonide ja aatomipommiga.
Avastamise ajalugu

NMR avastamise aastaks loetakse aastat 1945, mil ameeriklased Felix Bloch Stanfordist ja sõltumatult Edward Parcell ja Robert Pound Harvardist esimest korda jälgisid NMR signaali prootonitel. Selleks ajaks oli tuumamagnetismi olemusest juba palju teada, teoreetiliselt ennustati NMR-efekti ennast ja seda üritati korduvalt katseliselt jälgida. Oluline on märkida, et aasta varem avastas Nõukogude Liidus Kaasanis EPR fenomeni Jevgeni Zavoiski. Nüüdseks on hästi teada, et Zavoisky jälgis ka NMR signaali, see oli enne sõda, 1941. aastal. Tema käsutuses oli aga halva kvaliteediga magnet, mille välja ühtlus oli halb, tulemused olid halvasti reprodutseeritavad ja jäid seetõttu avaldamata. Ausalt öeldes tuleb märkida, et Zavoisky polnud ainus, kes jälgis NMR-i enne selle "ametlikku" avastamist. Eelkõige jälgis TMR-i 1930. aastate lõpus ka Ameerika füüsik Isidore Rabi (1944. aasta Nobeli preemia laureaat tuumade magnetiliste omaduste uurimise eest aatomi- ja molekulaarkiirtes), kuid pidas seda instrumentaalseks artefaktiks. Ühel või teisel viisil, kuid meie riik jääb magnetresonantsi eksperimentaalse tuvastamise prioriteediks. Kuigi Zavoisky ise hakkas varsti pärast sõda tegelema muude probleemidega, mängis tema avastus Kaasani teaduse arengus tohutut rolli. Kaasan on endiselt üks maailma juhtivaid EPR-spektroskoopia uurimiskeskusi.
Nobeli magnetresonantsi preemiad
20. sajandi esimesel poolel anti mitu Nobeli preemiat teadlastele, kelle tööta poleks NMR avastamine saanud toimuda. Nende hulgas on Peter Szeeman, Otto Stern, Isidor Rabi, Wolfgang Pauli. Kuid neli Nobeli preemiat oli otseselt seotud NMR-ga. 1952. aastal said Felix Bloch ja Edward Purcell auhinna NMR avastamise eest. See on ainus "NMR" Nobeli füüsikaauhind. 1991. aastal võitis keemiaauhinna šveitslane Richard Ernst, kes töötas kuulsas ETH Zürichis. Ta pälvis selle mitmemõõtmelise TMR-spektroskoopia meetodite väljatöötamise eest, mis võimaldas radikaalselt suurendada NMR-katsete infosisaldust. 2002. aastal võitis preemia ka keemias Kurt Wüthrich, kes töötas koos Ernstiga samas tehnikumis naabermajades. Ta sai auhinna lahuses olevate valkude kolmemõõtmelise struktuuri määramise meetodite väljatöötamise eest. Enne seda oli ainus meetod, mis võimaldas määrata suurte biomakromolekulide ruumilist konformatsiooni, ainult röntgendifraktsioonianalüüs. Lõpuks, 2003. aastal said ameeriklane Paul Lauterbur ja inglane Peter Mansfield meditsiinipreemia NMR-kuvamise leiutamise eest. EPRi nõukogude avastaja E.K. Zavoisky kahjuks Nobeli preemiat ei saanud.

Sait pakub viiteteavet ainult informatiivsel eesmärgil. Haiguste diagnoosimine ja ravi peaks toimuma spetsialisti järelevalve all. Kõigil ravimitel on vastunäidustused. Vajalik on asjatundja nõuanne!

Üldine informatsioon

Fenomen tuumamagnetresonants (NMR) avastas 1938. aastal rabi Isaac. Nähtus põhineb magnetiliste omaduste olemasolul aatomituumades. Alles 2003. aastal leiutati meetod selle nähtuse kasutamiseks meditsiinis diagnostilistel eesmärkidel. Leiutise eest said selle autorid Nobeli preemia. Spekroskoopias uuritav keha ( st patsiendi keha) asetatakse elektromagnetvälja ja kiiritatakse raadiolainetega. See on täiesti ohutu meetod erinevalt näiteks kompuutertomograafiast), millel on väga kõrge eraldusvõime ja tundlikkus.

Rakendus majanduses ja teaduses

1. Keemias ja füüsikas identifitseerida reaktsioonis osalevad ained ja reaktsioonide lõpptulemused,
2. Farmakoloogias ravimite tootmiseks
3. Põllumajanduses teravilja keemilise koostise ja külvivalmiduse määramiseks ( väga kasulik uute liikide aretamisel),
4. Meditsiinis - diagnostikaks. Väga informatiivne meetod lülisamba, eriti lülivaheketaste haiguste diagnoosimiseks. See võimaldab tuvastada isegi kõige väiksemaid plaadi terviklikkuse rikkumisi. Tuvastab vähkkasvajaid tekke varases staadiumis.

Meetodi olemus

Tuumamagnetresonantsi meetod põhineb asjaolul, et hetkel, kui keha on spetsiaalselt häälestatud väga tugevas magnetväljas ( 10 000 korda tugevam kui meie planeedi magnetväli), moodustavad kõigis keharakkudes esinevad veemolekulid magnetvälja suunaga paralleelsed ahelad.

Kui välja suund järsku muutub, vabastab veemolekul osakese elektrist. Just need laengud salvestavad seadme andurid ja analüüsivad neid arvuti. Vastavalt vee kontsentratsiooni intensiivsusele rakkudes loob arvuti uuritava elundi või kehaosa mudeli.

Väljundil on arstil monokroomne pilt, millel on väga detailselt näha elundi õhukesi lõike. Infosisu poolest ületab see meetod oluliselt kompuutertomograafiat. Mõnikord on uuritava organi kohta isegi rohkem üksikasju, kui on diagnoosimiseks vajalik.

Magnetresonantsspektroskoopia tüübid

bioloogilised vedelikud,
Siseorganid.

Tehnika võimaldab üksikasjalikult uurida kõiki inimkeha kudesid, sealhulgas vett. Mida rohkem vedelikku kudedes on, seda heledamad ja heledamad need pildil on. Luud, milles on vähe vett, on kujutatud tumedatena. Seetõttu on luuhaiguste diagnoosimisel kompuutertomograafia informatiivsem.

Magnetresonantsperfusiooni tehnika võimaldab kontrollida vere liikumist läbi maksa ja aju kudede.

Tänapäeval kasutatakse seda nime meditsiinis laiemalt. MRI (Magnetresonantstomograafia ), kuna tuumareaktsiooni mainimine pealkirjas hirmutab patsiente.

Näidustused

1. ajuhaigused,
2. ajupiirkondade funktsioonide uuringud,
3. liigesehaigused,
4. lülisamba haigused,
5. Kõhuõõne siseorganite haigused,
6. Kuseteede ja reproduktiivsüsteemi haigused,
7. Mediastiinumi ja südamehaigused,
8. Vaskulaarsed haigused.

Vastunäidustused

Absoluutsed vastunäidustused:
1. südamestimulaator,
2. Elektroonilised või ferromagnetilised keskkõrvaproteesid,
3. Ilizarovi ferromagnetilised seadmed,
4. Suured metallist sisemised proteesid,
5. Ajuveresoonte hemostaatilised klambrid.

Suhtelised vastunäidustused:
1. närvisüsteemi stimulandid,
2. insuliinipumbad,
3. muud tüüpi sisekõrva proteesid,
4. südameklappide proteesid,
5. Hemostaatilised klambrid teistele organitele,
6. Rasedus ( pead küsima günekoloogi arvamust),
7. Südamepuudulikkus dekompensatsiooni staadiumis,
8. klaustrofoobia ( hirm suletud ruumi ees).

Õppetöö ettevalmistamine

Spetsiaalne ettevalmistus on vajalik ainult neile patsientidele, kes lähevad siseorganite uuringule ( kuse- ja seedetrakt): Viis tundi enne protseduuri ei tohi süüa.
Kui uuritakse pead, soovitatakse õiglasel sugupoolel meik eemaldada, kuna kosmeetikas sisalduvad ained ( nt lauvärvides) võib tulemust mõjutada. Kõik metallist ehted tuleb eemaldada.
Mõnikord kontrollivad meditsiinitöötajad patsienti kaasaskantava metallidetektoriga.

Kuidas uuringut tehakse?

Enne uuringu algust täidab iga patsient küsimustiku, mis aitab tuvastada vastunäidustusi.

Seade on lai toru, millesse patsient asetatakse horisontaalasendisse. Patsient peab jääma täiesti paigale, muidu pole pilt piisavalt selge. Toru sees ei ole pime ja seal on sundventilatsioon, mistõttu on protseduuri tingimused üsna mugavad. Mõned installatsioonid tekitavad märgatavat suminat, seejärel pannakse uuritavale pähe müra summutavad kõrvaklapid.

Uuringu kestus võib olla 15 minutit kuni 60 minutit.
Mõnes meditsiinikeskuses on lubatud, et ruum, kus uuringut tehakse, oli koos patsiendiga tema sugulane või saatja ( kui sellel pole vastunäidustusi).

Mõnes meditsiinikeskuses manustab anestesioloog rahusteid. Sel juhul on protseduur palju kergemini talutav, eriti klaustrofoobia all kannatavatel patsientidel, väikelastel või patsientidel, kellel on mingil põhjusel raske liikumatuks jääda. Patsient langeb terapeutilise une seisundisse ning väljub sellest puhanuna ja erksana. Kasutatavad ravimid erituvad kiiresti organismist ja on patsiendile ohutud.

Uuringu tulemus on valmis 30 minuti jooksul peale protseduuri lõppu. Tulemus väljastatakse DVD, arstiaruande ja piltide kujul.

Kontrastaine kasutamine MRI-s

Enamasti toimub protseduur ilma kontrasti kasutamata. Mõnel juhul on see siiski vajalik veresoonte uurimiseks). Sel juhul infundeeritakse kontrastaine intravenoosselt kateetri abil. Protseduur sarnaneb mis tahes intravenoosse süstimisega. Seda tüüpi uuringute jaoks kasutatakse spetsiaalseid aineid - paramagnetid. Need on nõrgad magnetilised ained, mille osakesed, olles välises magnetväljas, on magnetiseeritud paralleelselt jõujoontega.

Kontrastaine kasutamise vastunäidustused:

Rasedus,
Varem tuvastatud kontrastaine komponentide individuaalne talumatus.

Veresoonte uurimine (magnetresonantsangiograafia)

Selle meetodi abil saate kontrollida nii vereringevõrgu seisundit kui ka vere liikumist veresoonte kaudu.
Hoolimata asjaolust, et meetod võimaldab veresooni "näha" ilma kontrastaineta, on selle kasutamisel pilt visuaalsem.
Spetsiaalsed 4-D installatsioonid võimaldavad jälgida vere liikumist peaaegu reaalajas.

Näidustused:

kaasasündinud südamerikked,
Aneurüsm, selle lahkamine,
veresoonte stenoos,

ajuuuringud

See on ajuuuring, mis ei kasuta radioaktiivseid kiiri. Meetod võimaldab näha kolju luid, kuid täpsemalt saab uurida pehmeid kudesid. Suurepärane diagnostiline meetod neurokirurgias, aga ka neuroloogias. See võimaldab tuvastada krooniliste verevalumite ja põrutuste, insultide, aga ka kasvajate tagajärgi.
Tavaliselt on see ette nähtud teadmata etioloogiaga migreenilaadsete seisundite, teadvuse häirete, neoplasmide, hematoomide, koordinatsioonihäirete korral.

Aju MRI-ga uuritakse järgmist:

kaela peamised veresooned,
veresooned, mis toidavad aju
ajukude,
silmade orbiidid,
aju sügavamad osad väikeaju, käbinääre, ajuripats, piklikud ja vahepealsed osakonnad).

Funktsionaalne NMR

See diagnoos põhineb asjaolul, et kui aktiveeritakse mõni teatud funktsiooni eest vastutav ajuosa, suureneb vereringe selles piirkonnas.
Uuritavale antakse erinevaid ülesandeid ning nende täitmise käigus fikseeritakse vereringe erinevates ajuosades. Katsete käigus saadud andmeid võrreldakse puhkeperioodil saadud tomogrammiga.

Lülisamba uurimine

See meetod sobib suurepäraselt närvilõpmete, lihaste, luuüdi ja sidemete ning lülidevaheliste ketaste uurimiseks. Kuid lülisamba luumurdude või luustruktuuride uurimise vajaduse korral on see mõnevõrra halvem kui kompuutertomograafia.

Uurida saab kogu selgroogu või ainult häirivat osa: emakakaela, rindkere, nimme-ristluu ja ka koksiuks eraldi. Seega saab emakakaela piirkonna uurimisel tuvastada veresoonte ja selgroolülide patoloogiaid, mis mõjutavad aju verevarustust.
Nimmepiirkonda uurides on võimalik tuvastada lülidevahelisi herniasid, luude ja kõhrede naelu, aga ka pigistatud närve.

Näidustused:

Intervertebraalsete ketaste kuju muutused, sealhulgas herniatsioon,
Selja ja lülisamba vigastused
Osteokondroos, düstroofsed ja põletikulised protsessid luudes,
Neoplasmid.

Seljaaju uurimine

See viiakse läbi samaaegselt selgroo uurimisega.

Näidustused:

Seljaaju neoplasmide tõenäosus, fokaalne kahjustus,
Seljaaju tserebrospinaalvedeliku õõnsuste täitumise kontrollimiseks,
seljaaju tsüstid,
Et kontrollida taastumist pärast operatsiooni,
Seljaaju haiguste tõenäosusega.

Ühine uuring

See uurimismeetod on väga tõhus liigese moodustavate pehmete kudede seisundi uurimiseks.

Diagnoosimiseks kasutatakse:

krooniline artriit,
Kõõluste, lihaste ja sidemete vigastused ( kasutatakse eriti spordimeditsiinis),
luumurrud,
pehmete kudede ja luude neoplasmid,
Muude diagnostiliste meetoditega ei tuvastata kahjustusi.

Kehtib:

Puusaliigeste uurimine osteomüeliidi, reieluupea nekroosi, stressimurru, septilise artriidi,
Põlveliigeste uurimine pingemurdudega, mõne sisemise komponendi terviklikkuse rikkumine ( menisk, kõhr),
Õlaliigese uurimine nihestuste, närvide muljumise, liigesekapsli rebendi korral,
Randmeliigese uurimine stabiilsuse rikkumisel, hulgimurrud, kesknärvi kahjustus, sidemete kahjustus.

Temporomandibulaarse liigese uurimine

See on ette nähtud liigese funktsiooni rikkumise põhjuste kindlaksmääramiseks. See uuring paljastab kõige täielikumalt kõhre ja lihaste seisundi, võimaldab tuvastada nihestused. Seda kasutatakse ka enne ortodontilisi või ortopeedilisi operatsioone.

Näidustused:

Alalõualuu liikuvuse kaotus
Klõpsud avamisel - suu sulgemine,
Valu templis avamisel - suu sulgemisel,
Valu närimislihaste sondeerimisel,
Valu kaela ja pea lihastes.

Kõhuõõne siseorganite uurimine

Pankrease ja maksa uurimine on ette nähtud:

mitteinfektsioosne kollatõbi,
Maksa neoplasmi, degeneratsiooni, abstsessi, tsüstide tõenäosus koos tsirroosiga,
Kontrollina ravikuuri üle
Traumaatiliste luumurdude korral
Kivid sapipõies või sapiteedes
mis tahes vormis pankreatiit,
Neoplasmide tekkimise tõenäosus
Parenhüümi isheemia.

Meetod võimaldab tuvastada pankrease tsüstid, uurida sapiteede seisundit. Selguvad kõik moodustised, mis ummistavad kanaleid.

Neerutest on näidustatud:

Neoplasmi kahtlus
Neerude lähedal asuvate elundite ja kudede haigused,
Kuseelundite moodustumise rikkumiste tõenäosus,
Ekskretoorse urograafia teostamise võimatuse korral.

Enne siseorganite uurimist tuumamagnetresonantsi meetodil on vaja läbi viia ultraheliuuring.

Reproduktiivsüsteemi haiguste uurimine

Vaagnapiirkonna uuringud on ette nähtud:

Emaka, põie, eesnäärme kasvajate tõenäosus,
vigastus,
Väikese vaagna neoplasmid metastaaside tuvastamiseks,
Valu ristluu piirkonnas,
vesikuliit,
Lümfisõlmede seisundi uurimine.

Eesnäärmevähi korral on see uuring ette nähtud neoplasmi leviku tuvastamiseks lähedalasuvatele organitele.

Tund enne uuringut on ebasoovitav urineerida, kuna pilt on informatiivsem, kui põis on mõnevõrra täis.

Uuringud raseduse ajal

Hoolimata asjaolust, et see uurimismeetod on palju ohutum kui röntgenikiirgus või kompuutertomograafia, ei ole selle kasutamine raseduse esimesel trimestril rangelt lubatud.
Nende meetodite teisel ja kolmandal trimestril on meetod ette nähtud ainult tervislikel põhjustel. Protseduuri ohtlikkus raseda kehale seisneb selles, et protseduuri käigus kuumutatakse mõningaid kudesid, mis võivad põhjustada soovimatuid muutusi loote kujunemises.
Kuid kontrastaine kasutamine raseduse ajal on rangelt keelatud igal rasedusperioodil.

Ettevaatusabinõud

1. Mõned NMR-paigaldised on ehitatud suletud toru kujul. Inimesed, kes kannatavad suletud ruumide hirmu all, võivad saada rünnaku. Seetõttu on parem eelnevalt küsida, kuidas protseduur läheb. Seal on avatud installatsioonid. Need on röntgeniruumiga sarnased ruumid, kuid sellised paigaldused on haruldased.

2. Ruumi, kus seade asub, on keelatud siseneda metallesemete ja elektroonikaseadmetega ( nt kellad, ehted, võtmed), kuna võimsas elektromagnetväljas võivad elektroonikaseadmed rikki minna ja väikesed metallesemed paiskuvad laiali. Samal ajal saadakse mitte täiesti õigeid uuringuandmeid.

NMR ehk inglise keeles NMR imaging on lühend väljendist "tuumamagnetresonants". See uurimismeetod sisenes meditsiinipraktikasse eelmise sajandi 80ndatel. See erineb röntgentomograafiast. NMR-is kasutatav kiirgus hõlmab raadiolainete vahemikku lainepikkusega 1 kuni 300 m. Analoogiliselt CT-ga kasutab tuumamagnettomograafia arvutiskaneerimise automaatset juhtimist koos siseorganite struktuuri kihilise kujutise töötlemisega.

Mis on MRI olemus

NMR põhineb tugevatel magnetväljadel, aga ka raadiolainetel, mis võimaldavad moodustada üksikutest piltidest (skaneeringutest) inimese kehast kujutise. See tehnika on vajalik vigastuste ja ajukahjustusega patsientide erakorraliseks abiks, samuti tavapärasteks kontrollideks. NMRI nimetatakse elektromagnetlainete selektiivseks neeldumiseks aine (inimkeha) poolt, mis on magnetväljas. See saab võimalikuks nullist erineva magnetmomendiga tuumade juuresolekul. Esiteks neelduvad raadiolained, seejärel kiirgavad tuumad raadiolaineid ja need lähevad madalale energiatasemele. Mõlemat protsessi saab fikseerida tuumade uurimisel ja neeldumisel. NMR loob ebaühtlase magnetvälja. On vaja ainult häälestada NMR-tomograafi saatja antenn ja vastuvõtja rangelt määratletud kudede või elundite alale ning võtta punktidest näidud, muutes laine vastuvõtusagedust.

Skaneeritud punktidest info töötlemisel saadakse kõikidest elunditest ja süsteemidest kujutised erinevates tasapindades, lõikes moodustub kudede ja elundite kõrglahutusega kolmemõõtmeline kujutis. Magnet-tuumatomograafia tehnoloogia on väga keeruline, see põhineb elektromagnetlainete resonantsneeldumise põhimõttel aatomite poolt. Inimene asetatakse tugeva magnetväljaga aparaati. Seal olevad molekulid pöörduvad magnetvälja suunas. Seejärel skaneeritakse elektrilainet, molekulide muutus salvestatakse esmalt spetsiaalsele maatriksile ning seejärel kantakse arvutisse ja töödeldakse kõiki andmeid.

NMRI rakendused

NMR-tomograafial on üsna lai kasutusala, mistõttu kasutatakse seda palju sagedamini alternatiivina kompuutertomograafiale. MRI abil tuvastatavate haiguste loetelu on väga mahukas.

Aju.

Kõige sagedamini kasutatakse sellist uuringut aju vigastuste, kasvajate, dementsuse, epilepsia ja ajuveresoonte probleemide tuvastamiseks.

Kardiovaskulaarsüsteem.

Südame ja veresoonte diagnoosimisel täiendab NMR selliseid meetodeid nagu angiograafia ja CT.
MRI võimaldab tuvastada kardiomüopaatiat, kaasasündinud südamehaigust, vaskulaarseid muutusi, müokardi isheemiat, düstroofiat ja kasvajaid südame ja veresoonte piirkonnas.

Lihas-skeleti süsteem.

NMR-tomograafiat kasutatakse laialdaselt luu- ja lihaskonna probleemide diagnoosimisel. Selle diagnostilise meetodi abil eristuvad sidemed, kõõlused ja luude struktuurid väga hästi.

Siseorganid.

Seedetrakti ja maksa uurimisel tuumamagnetresonantstomograafia abil saate täielikku teavet põrna, neerude, maksa, kõhunäärme kohta. Kui lisate lisaks kontrastainet, on võimalik jälgida nende elundite ja nende veresoonte süsteemi funktsionaalset võimekust. Ja täiendavad arvutiprogrammid võimaldavad teil luua pilte sooltest, söögitorust, sapiteedest, bronhidest.

Tuumamagnetresonantstomograafia ja MRI: kas on erinevusi

Mõnikord võite MRI ja MRI nimedes segadusse minna. Kas nende kahe protseduuri vahel on erinevusi? Võite kindlasti vastata ei.
Algselt, magnetresonantstomograafia avastamise ajal, sisaldas selle nimi veel üht sõna "tuuma", mis aja jooksul kadus, jättes alles ainult lühendi MRI.

Tuumamagnetresonantstomograafia sarnaneb röntgeniaparaadiga, kuid tööpõhimõte ja selle võimalused on mõnevõrra erinevad. MRI aitab saada visuaalset pilti ajust ja seljaajust, teistest pehmete kudedega organitest. Tomograafia abil on võimalik mõõta verevoolu kiirust, tserebrospinaalvedeliku ja tserebrospinaalvedeliku voolu. Samuti võib mõelda sellele, kuidas üks või teine ajukoore osa aktiveerub olenevalt inimtegevusest. Arst näeb uuringu ajal kolmemõõtmelist pilti, mis võimaldab tal inimese seisundi hindamisel liikuda.

Uurimismeetodeid on mitmeid: angiograafia, perfusioon, difusioon, spektroskoopia. Tuumamagnetresonantstomograafia on üks parimaid uurimismeetodeid, mis võimaldab saada elundite ja kudede seisundist kolmemõõtmelise pildi, mis tähendab, et diagnoos pannakse paika ja valitakse õige ravi. Inimese siseorganite NMR-uuring on täpselt kujutised, mitte päris koed. Mustrid ilmuvad valgustundlikule filmile, kui röntgenikiirgus neeldub röntgenpildi tegemisel.

NMR-kuvamise peamised eelised

NMR-tomograafia eelised teiste uurimismeetodite ees on mitmekülgsed ja märkimisväärsed.

MRI miinused

Kuid loomulikult pole sellel meetodil puudusi.

Suur energiakulu. Kambri tööks on normaalse ülijuhtivuse jaoks vaja palju elektrit ja kallist tehnoloogiat. Kuid suure võimsusega magnetid ei avalda inimeste tervisele negatiivset mõju.
Protsessi kestus. Tuumamagnetresonantstomograafia on vähem tundlik kui röntgenikiirgus. Seetõttu kulub läbivalgustamiseks rohkem aega. Lisaks võivad hingamisliigutuste tõttu tekkida kujutise moonutused, mis kopsude ja südame uuringute läbiviimisel moonutavad andmeid.
Sellise haiguse, nagu klaustrofoobia, esinemise korral on see vastunäidustus MRI-ga uuringutele. Samuti on võimatu diagnoosida MRI tomograafia abil, kui on olemas suured metallist implantaadid, südamestimulaatorid, kunstlikud südamestimulaatorid. Raseduse ajal tehakse diagnoos ainult erandjuhtudel.

Iga pisikest objekti inimkehas saab uurida NMR-kuvamisega. Ainult mõnel juhul tuleks lisada keemiliste elementide kontsentratsiooni jaotus kehas. Mõõtmiste tundlikumaks muutmiseks tuleks akumuleerida ja summeerida üsna suur hulk signaale. Sel juhul saadakse selge kvaliteetne pilt, mis annab adekvaatselt edasi tegelikkust. See on seotud ka inimese TMR-kuvamise kambris viibimise kestusega. Peate pikka aega paigal lamama.

Kokkuvõtteks võib öelda, et tuumamagnetresonantstomograafia on üsna ohutu ja absoluutselt valutu diagnostiline meetod, mis võimaldab teil täielikult vältida kokkupuudet röntgenikiirgusega. Arvutiprogrammid võimaldavad teil saadud skaneeringuid töödelda virtuaalsete piltide moodustamisega. NMR piirid on tõesti piiramatud.

Juba praegu on see diagnostiline meetod stiimuliks selle kiireks arenguks ja laialdaseks kasutamiseks meditsiinis. Meetod erineb selle vähesest kahjust inimeste tervisele, kuid samal ajal võimaldab see hoolikalt uurida elundite struktuuri nii tervel inimesel kui ka olemasolevate haiguste korral.

Tuon üks levinumaid ja väga tundlikumaid meetodeid orgaaniliste ühendite struktuuri määramiseks, mis võimaldab saada teavet mitte ainult kvalitatiivse ja kvantitatiivse koostise, vaid ka aatomite paigutuse kohta üksteise suhtes. Erinevates NMR tehnikates on palju võimalusi ainete keemilise struktuuri, molekulide kinnitusolekute, vastastikuse mõju mõjude ja molekulisiseste transformatsioonide määramiseks.

Tuumamagnetresonantsi meetodil on mitmeid iseloomulikke tunnuseid: erinevalt optilistest molekulaarspektritest toimub elektromagnetilise kiirguse neeldumine aine poolt tugevas ühtlases välises magnetväljas. Lisaks peab katse NMR-uuringu läbiviimiseks vastama mitmetele tingimustele, mis kajastavad NMR-spektroskoopia üldpõhimõtteid:

1) NMR spektrite salvestamine on võimalik ainult oma magnetmomendiga aatomituumade või nn magnettuumade puhul, milles prootonite ja neutronite arv on selline, et isotoopide tuumade massiarv on paaritu. Kõigil paaritu massiarvuga tuumadel on spin I, mille väärtus on 1/2. Seega tuumade 1 H, 13 C, l 5 N, 19 F, 31 P korral on spinni väärtus 1/2, tuumade 7 Li, 23 Na, 39 K ja 4 l R korral - spin on 3/2. Paarismassiarvuga tuumadel pole kas üldse spinni, kui tuumalaeng on paaris, või on täisarvulised spinni väärtused, kui laeng on paaritu. TMR-spektri saavad anda ainult need tuumad, mille spin on I 0.

Spinni olemasolu on seotud aatomi laengu ringlusega ümber tuuma, seetõttu tekib magnetmoment μ . Pöörlev laeng (näiteks prooton) nurkimpuldiga J tekitab magnetmomendi μ=γ*J . Pöörlemisel tekkivat tuuma nurkmomenti J ja magnetmomenti μ saab esitada vektoritena. Nende konstantset suhet nimetatakse güromagnetiliseks suhteks γ. Just see konstant määrab tuuma resonantssageduse (joonis 1.1).

Joonis 1.1 - Pöörlev laeng nurkimpuldiga J tekitab magnetmomendi μ=γ*J .

2) NMR meetod uurib energia neeldumist või emissiooni spektri moodustamiseks ebatavalistes tingimustes: erinevalt teistest spektrimeetoditest. NMR-spekter registreeritakse ainelt tugevas ühtlases magnetväljas. Sellistel välisväljas asuvatel tuumadel on erinevad potentsiaalse energia väärtused sõltuvalt vektori μ mitmest võimalikust (kvanteeritud) orientatsiooninurgast välise magnetvälja tugevuse H 0 vektori suhtes. Välise magnetvälja puudumisel ei ole tuumade magnetmomentidel või spinnidel kindlat orientatsiooni. Kui magnetvälja asetada magnettuumad spinniga 1/2, siis osa tuumaspinne on magnetvälja jõujoontega paralleelsed, teine osa antiparalleelsed. Need kaks orientatsiooni ei ole enam energeetiliselt samaväärsed ja väidetavalt jagunevad spinnid kahe energiataseme vahel.

Spinnid, mille magnetmoment on orienteeritud piki +1/2 välja, on tähistatud sümboliga | α >, välisvälja suhtes paralleelse orientatsiooniga -1/2 - sümbol | β > (joonis 1.2) .

Joonis 1.2 – Energiatasemete kujunemine välise välja H 0 rakendamisel.

1.2.1 NMR spektroskoopia 1 H tuumadel PMR spektri parameetrid.

1H NMR spektrite andmete tõlgendamiseks ja signaalide määramiseks kasutatakse spektrite põhiomadusi: keemiline nihe, spin-spin interaktsioonikonstant, integreeritud signaali intensiivsus ja signaali laius [57].

A) Keemiline nihe (X.C). H.S. skaala Keemiline nihe on selle signaali ja võrdlusaine signaali vaheline kaugus, väljendatuna osades miljoni kohta välise väljatugevuse suurusest.

Prootonite keemiliste nihkete mõõtmise standardina kasutatakse kõige sagedamini tetrametüülsilaani [TMS, Si(CH 3) 4 ], mis sisaldab 12 struktuurselt samaväärset tugevalt sõelutud prootonit.

B) Spin-spin interaktsioonikonstant. Signaali lõhenemist täheldatakse kõrge eraldusvõimega NMR spektrites. See lõhenemis- või peenstruktuur kõrge eraldusvõimega spektrites tuleneb magnettuumade vahelisest spin-spin interaktsioonist. See nähtus koos keemilise nihkega on kõige olulisem teabeallikas keeruliste orgaaniliste molekulide struktuuri ja elektronipilve jaotuse kohta neis. See ei sõltu H 0-st, vaid sõltub molekuli elektronstruktuurist. Teise magnettuumaga interakteeruva magnettuuma signaal jaguneb sõltuvalt spinni olekute arvust mitmeks jooneks, s.t. oleneb tuumade I spinnidest.

Nende joonte vaheline kaugus iseloomustab tuumadevahelise spin-spin sideme energiat ja seda nimetatakse spin-spinni sidekonstandiks n J, kus n on sidemete arv, mis eraldavad interakteeruvaid tuumasid.

On otsesed konstandid J HH , geminaalkonstandid 2 J HH , lähikonstandid 3 J HH ja mõned kaugemad konstandid 4 J HH , 5J HH .

- geminaalsed konstandid 2 J HH võivad olla nii positiivsed kui negatiivsed ning hõivata vahemikku -30Hz kuni +40Hz.

Vicinaalkonstandid 3 J HH on vahemikus 0–20 Hz; need on peaaegu alati positiivsed. On kindlaks tehtud, et viksinaalne interaktsioon küllastunud süsteemides sõltub väga palju süsinik-vesiniksidemete vahelisest nurgast, see tähendab kahetahulisest nurgast - (joonis 1.3).

Joonis 1.3 – Süsinik-vesiniksidemete vaheline kahetahuline nurk φ.

Pikamaa spin-spin interaktsioon (4 J HH , 5J HH ) - kahe nelja või enama sidemega eraldatud tuuma vastastikmõju; sellise interaktsiooni konstandid on tavaliselt 0 kuni +3 Hz.

Tabel 1.1 – Spin-spin interaktsioonikonstandid

C) Integraalsignaali intensiivsus. Signaali pindala on võrdeline antud väljatugevusel resoneerivate magnettuumade arvuga, seega annab signaali pindala suhe iga struktuurivariandi prootonite suhtelise arvu ja seda nimetatakse integreeritud signaali intensiivsuseks. Kaasaegsetes spektromeetrites kasutatakse spetsiaalseid integraatoreid, mille näidud registreeritakse kõverana, mille astmete kõrgus on võrdeline vastavate signaalide pindalaga.

D) Joone laius. Joone laiuse iseloomustamiseks on tavaks mõõta laiust spektri nulljoonest poole kõrguse kaugusel. Eksperimentaalselt vaadeldav joonelaius on struktuurist ja liikuvusest sõltuva loomuliku joonelaiuse ning instrumentaalsetest põhjustest tingitud laienemise summa.

Tavaline joone laius PMR-is on 0,1-0,3 Hz, kuid see võib suureneda külgnevate üleminekute kattumise tõttu, mis ei kattu täpselt, kuid mida ei lahendata eraldi joontena. Laienemine on võimalik tuumade juuresolekul, mille spinn on suurem kui 1/2, ja keemilise vahetuse korral.

1.2.2 1H NMR andmete rakendamine orgaaniliste molekulide struktuuri kindlakstegemiseks.

Mitmete struktuurianalüüsi probleemide lahendamisel on lisaks empiiriliste väärtuste tabelitele Kh.S. võib olla kasulik kvantifitseerida naaberasendajate mõju C.C. tõhusa sõeluuringu panuse liite reegli alusel. Sel juhul võetakse tavaliselt arvesse asendajaid, mis on antud prootonist eemaldatud mitte rohkem kui 2-3 sidemega, ja arvutamine toimub järgmise valemi järgi:

δ=δ 0 +ε i *δ i (3)

kus δ 0 on standardrühma prootonite keemiline nihe;

δ i on asendaja skriinimise panus.

1.3 13C NMR spektroskoopia Spektri saamise ja salvestamise viisid.

Esimesed teated 13C NMR vaatluste kohta ilmusid 1957. aastal, kuid 13C NMR spektroskoopia muutmine praktiliselt kasutatavaks analüütilise uurimismeetodiks kujunes palju hilisemaks.

Magnetresonantsil 13 C ja 1 H on palju ühist, kuid on ka olulisi erinevusi. Kõige tavalisem süsiniku 12 C isotoop on I=0. 13 C isotoobi I=1/2, kuid selle looduslik arvukus on 1,1%. See on koos tõsiasjaga, et 13 C tuumade güromagnetiline suhe on 1/4 prootonite güromagnetilisest suhtest. See vähendab meetodi tundlikkust 13C NMR-i vaatlemise katsetes 1H tuumadega võrreldes 6000 korda.

a) ilma spin-spin interaktsiooni prootonitega mahasurumiseta. 13C NMR spektreid, mis saadi prootonitega spin-spin-resonantsi täieliku mahasurumise puudumisel, nimetati kõrge eraldusvõimega spektriteks. Need spektrid sisaldavad täielikku teavet konstantide 13 C - 1 H kohta. Suhteliselt lihtsates molekulides leitakse mõlemat tüüpi konstandid - edasi ja kaugel - üsna lihtsalt. Seega on 1 J (С-Н) 125–250 Hz, kuid spin-spin interaktsioon võib toimuda ka kaugemate prootonitega, mille konstandid on alla 20 Hz.

b) spin-spin interaktsiooni täielik mahasurumine prootonitega. Esimene suur edusamm 13C NMR-spektroskoopia valdkonnas on seotud prootonitega toimuva spin-spin interaktsiooni täieliku mahasurumise kasutamisega. Prootonitega toimuva spin-spin interaktsiooni täieliku mahasurumise kasutamine viib multiplettide liitumiseni singlettide moodustumisega, kui molekulis pole muid magnettuumasid, nagu 19F ja 31P.

c) prootonitega toimuva spin-spin interaktsiooni mittetäielik mahasurumine. Prootonitest täieliku lahtisidumise režiimi kasutamisel on aga omad puudused. Kuna kõik süsiniku signaalid on nüüd singlettide kujul, kaob kogu teave 13C-1H spin-spin interaktsioonikonstantide kohta. See on osa lairibaühenduse eelistest. Sel juhul näitavad spektrid 13C-1H spin-spin interaktsiooni otsestest konstantidest tingitud lõhenemist See protseduur võimaldab tuvastada signaale protoneerimata süsinikuaatomitelt, kuna viimastel ei ole 13C-ga otseselt seotud prootoneid ja esinevad spektrites prootonitest mittetäieliku lahtisidumisega singlettidena.

d) C-H interaktsioonikonstandi, JMODCH spektri moduleerimine. Traditsiooniline probleem 13C NMR spektroskoopias on määrata iga süsinikuaatomiga seotud prootonite arv, st süsinikuaatomi protoneerimise aste. Prootonite osaline mahasurumine võimaldab eraldada süsiniku signaali pikamaa spin-spin interaktsioonikonstantidest põhjustatud paljususest ja saada signaali lõhenemist otseste 13C-1H SSCC-de tõttu, kuid tugevalt seotud AB spin-süsteemide ja kattumise korral OFFR-režiimis, muudab see signaali üheselt mõistetava eraldusvõime keeruliseks.