Студопедия

КАТЕГОРИИ:

АстрономияБиологияГеографияДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника


Протонная релаксометрия.




При описании ядерной магнитной релаксации пользуются мо­делью, в которой магнитные моменты, или спины, отдельных ядер составляют в своей совокупности спиновую систему данного вещества. Спиновая система имеет температуру, в общем случае отличающуюся от температуры ее окружения («решетки») или температуры данного вещества. Такая модель позволяет рассматри­вать два не зависящих друг от друга процесса: обмен энергией внутри спиновой системы (спин-спиновая релаксация) и обмен энергией между спиновой системой и решеткой (спин-решеточная релаксация)[32]. Первый процесс обеспечивает восстановление нарушенного каким-либо образом термодинамического равновесия внутри спиновой системы, тогда как второй процесс — восстанов­ление термодинамического равновесия между спиновой системой и решеткой. Каждый из этих процессов протекает во времени с не­которой определенной скоростью и характеризуется своей по­стоянной — временем спин-спиновой релаксации Т2 и временем спин-решеточной релаксации Т1. Обратные величины этих времен являются мерой скорости соответствующей релаксации, причем всегда [30].

Термодинамическое равновесие в простейшей спиновой си­стеме, состоящей из ядер одного сорта со спинами I=1/2, характе­ризуется больцмановским распределением населенностей этих ядер по двум спиновым уровням с магнитными квантовыми чис­лами m1=+1/2 и m1=-1/2. Энергии этих спиновых уровней отли­чаются друг от друга только в том случае, когда спиновая система находится в постоянном магнитном поле. В отсутствие такого поля спиновые уровни вырождены и их энергии имеют одинаковую величину.

Очевидно, что в тот момент, когда вещество помещают в маг­нитное поле, вырождение снимается, и происходит нарушение больцмановского распределения населенностей уровней и, следовательно, термодинамического равновесия в спиновой системе, поскольку такое распределение не устанавливается мгновенно, а происходит с постоянной времени, равной времени ядерной маг­нитной релаксации.

Для экспериментального наблюдения ядерной магнитной ре­лаксации применяют методы ядерного магнитного резонанса (ЯМР). В этих методах для нарушения термодинамического равновесия как внутри спиновой системы, так и между спиновой системой и решеткой вещество помещают во внешнее постоянное магнитное поле Но (используя эффект Зеемана энергитичнеский уровень расщепляется). Спустя некоторое время после установления больцмановского распределения населенностей уровней спиновой системы это вещество облучают достаточно мощным импульсом перемен­ного электромагнитного поля, частота которого υо равна частоте ларморовской прецессии ядер :

(1.1)

где гиромагнитное отношение ядер, составляющих спиновую систему вещества.

Под действием частоты в спиновой системе происходят энергетические переходы между ядерными уровнями, в результате которых нарушается больцмановское распределение населенностей этих уровней. После прекращения действия импульса, заполнен­ного частотой , спиновая система самопроизвольно возвращается к больцмановскому распределению населенностей уровней или к термодинамическому равновесию за счет процесса ядерной маг­нитной релаксации. При этом в приемной катушке импульсного спектрометра ЯМР индуцируется электрический сигнал, пропор­циональный ядерной намагниченности. Этот сигнал наблюдается с помощью регистрирующих устройств в течение времени сохра­нения фазовой когерентности между отдельными ядерными магнит­ными моментами, сравнимого со временем спин-спиновой релак­сации.

Собственно процесс релаксации происходит за счет взаимо­действий каждого ядерного магнитного момента в спиновой си­стеме с локальным магнитным полем hl (t), которое создается соседними с данным ядром ядерными и электронными магнитными моментами и токами. Величина локального магнитного поля по­стоянно модулируется (флуктуирует) под влиянием случайного теплового движения молекул и атомов, составляющих решетку данного вещества[47].

Флуктуации локального магнитного поля содержат компоненты многих частот, но процесс ядерной магнитной релаксации вызы­вает только та компонента, частота которой равна .

Практически все современные методы магнитно-резонансной визуализации (МРВ) или магнитно-резонансной томографии (МРТ) основываются на получении сигнала от ядер водорода живых систем (гиромагнитное отношение протонов 1H=42,58 МГц/Тл). Они широко представлены в любом биологическом объекте в высокой концентрации (относительная распространенность изотопа 99,98%) .

Когда атомные ядра помещаются в магнитное поле, они могут поглощать радиоволны соответствующих частот, зависящих от типа ядер, величины магнитного поля, физического и магнитного окружения ядер, что является основой явления магнитного резонанса, используемого для получения МР-визуализации[56].

Для протонов в магнитном поле существуют два движения прецессии или конуса прецессии, сориентированные вдоль направления силовых линий магнитного поля. Первый - для ядер в состоянии с низкой энергией (стабильное состояние), и другой - в противоположном направлении - для ядер в состоянии высокой энергии (нестабильное состояние).Частота движения прецессии определяется из следующего уравнения, называемого уравнением Лармора[39]:

f = γ * Bо

где f - частота Лармора (единица измерения МГц), γ - гиромагнитное отношение (единица измерения МГц/Тесла), которое в соответствии с названием является механическим магнитным свойством ядра и зависит от типа ядра, Во - вектор индукции магнитного поля. Реальная живая ткань содержит большое число ядер. Таким образом, мы наблюдаем суммарный эффект от всех микроскопических событий, который эквивалентен одному большому магнитному моменту Мо, величина которого равна сумме величин от индивидуальных ядер, направленных вдоль внешнего магнитного поля Во. Направление и величина этого магнитного момента не изменяются во времени, если на ткань не действует радиочастотный импульс (РЧИ).

После облучения РЧИ соответствующей частоты, суммарная намагниченность протонсодержащего объекта, (М0) отклоняется от своего равновесного положения. Для возбуждения спиновой системы более эффективно воздействие радиоволнами большой интенсивности в короткий промежуток времени (импульсный магнитный резонанс). Частота радиоволн должна быть равна или близка частоте Лармора. Импульс, отклоняющий М0 на 900 в плоскость XY, называется 90-градусным импульсом (1800-РЧИ). При облучении импульсом, как правило, удвоенной длительности, называемым 180-градусным импульсом (1800-РЧИ), намагниченность изменяет свое направление на противоположное, т. е. инвертируется.

При прекращении действия поля 1H спиновая система самопроизвольно возвращается к больцмановскому распределению населенностей уровней или к термодинамическому равновесию за счет процессов ядерной магнитной релаксации[45]. Сигнал, получаемый от объекта в однородном магнитном поле после воздействия РЧИ, называется сигналом затухания свободной индукции (ССИ). Процесс перехода из возбужденного состояния в равновесное называется спин-решеточным (продольным) релаксационным процессом. Он характеризуется временем спин-решеточной релаксации T1. Т1 характеризует постоянную времени, с которой спины протонов стремятся вернуться к направлению магнитного поля. Намагниченность в направлении z, начиная с нуля, за время, равное Т1, достигнет 63% своей конечной максимальной величины. После возбуждения РЧ-импульсами спины ведут себя как когерентная система, т.е. все микроскопические составляющие намагниченности прецессируют в одной фазе вокруг направления внешнего магнитного поля. Однако, в результате статистической неоднородности магнитных полей между спинами происходит потеря фазовой когерентности из-за различия в частотах Лармора. Поскольку спины постепенно расфокусируются, сигнал магнитного резонанса с течением времени уменьшается. Этот процесс характеризуется спин-спиновым (поперечным) временем релаксации T2, т.е. время, за которое намагниченность в плоскости XY теряет 69% от своей первоначальной величины.

Рис. 2. Поперечное время релаксации.

Где MXY - Временная константа, описывающая поведение поперечной намагниченности

Т2- время необходимое для уменьшения поперечной намагниченности с коэффициентом е.


Поделиться:

Дата добавления: 2015-08-05; просмотров: 78; Мы поможем в написании вашей работы!; Нарушение авторских прав





lektsii.com - Лекции.Ком - 2014-2024 год. (0.013 сек.) Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав
Главная страница Случайная страница Контакты