Читать книгу Obrazowanie magnetyczno-rezonansowe - Bolesław Gonet - Страница 7

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 [92,8].

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, ^l9F. Warto nadmienić, że występujący często w związkach organicznych tlen ¹⁶0 i węgiel ^I2C posiadają spiny jądrowe równe zeru i nie są one dostępne do badania metodą NMR.