80

2.10. ЯМР спектроскопия

Совершенствование ЯМР-томографов и создание высокопольных систем (1,5-2 Тл) позволило в клинических условиях производить магнитнорезонансную спектроскопию (МРС), позволяющую с высокой точностью измерять спектры различных химических элементов [9]. Благодаря этому, МРС даёт возможность проследить за регионарными метаболическими изменениями. ЯМР спектры имеют следующие основные черты:

-ядра в различных химических группах имеют разные константы экранирования и условие резонанса выполняется на разныхчастотах;

-число сигналов на спектре показывает число видов протонов;

-площадь пика поглощения пропорциональна числу ядер;

-расщепление сигнала позволяет рассчитать спин-спиновое сдваивание между ядрами с не нулевыми спинами.

Измерения химического сдвига (δ ) проводятся относительно положения спектральной линии эталонного ядра, не имеющего никакого окружения. Т.к. это невыполнимый стандарт, сдвиги обычно указываются относительно протонов некоторого стандартного вещества. Для 1H МРС это - тетраметилсилан Si(CH3)4 (TMS), который расщепляется на эквивалентные протоны, для 31P МРС - фосфорная кислота, хотя на практике как вторичные эталоны используются вода и PCr, соответственно. Эталонный состав может находиться в капсуле вне объекта или внутри; внутренние эталоны предпочтительны, т.к. на внешние эталоны могут влиять разные условия.

Значения δ положительны, если образец поглощает энергию на более высокой частоте, чем частота эталона в постоянном поле:

где νобразца - частота сигнала от исследуемого образца, νTMS - частота сигнала от тетраметилсилана.

Множитель 106 просто масштабирует численное значение δ в более удобный размер: значения δ указаны в миллионных долях или ppm.

Диапазоны химических сдвигов различны для каждого типа ядер. Для 1H спектров он составляет от 0 до 10 ppm, а для 13C спектров диапазон сдвигов уже от 0 до примерно 250 ppm. Ядра 14N, 15N, 17O, 19F имеют большие диапазоны химического сдвига. Так 17O ядра показывают диапазон экранирования более 2000 ppm. Переходные ядра металлов показывают еще большие диапазоны экранирования. Так ядро 57Fe дает диапазон более 8000 ppm, который делает его чрезвычайно чувствительным для электронных и структурных исследований.

На спектрах мы можем заметить расщепление резонансных линий, которые имеют различные интенсивности. Расщепление резонансов на отдельные линии возникает, потому что каждое ядро может влиять на локальное

81

поле, испытываемое другими ядрами и т.о. изменять их резонансные частоты. Сила взаимодействия выражается в единицах скалярной константы сдваивания J , измеряемой в герцах. Константы сдваивания спинов не зависят от силы приложенного поля и способности последнего создавать локальные поля

Это прямое спин-спиновое взаимодействие используется в ЯМР спектрах твердых тел для измерения межатомных расстояний. Когда рассматриваются жидкости или газообразные образцы, прямой механизм спинового сцепления не применяется, потому что случайные молекулярные движения внутри образца непрерывно изменяют ориентацию молекул в приложенном поле и среднее сцепление стремится к нулю.

2.11. Безопасность при проведении МРТ

Процесс получение ЯМР сигнала состоит из нескольких шагов, первый из которых - обеспечение безопасности людей. Хотя в МРТ не используется ионизирующее излучение, существуют важные положения о безопасности, которые необходимо знать. К ним относятся использования сильных магнитных полей, РЧ излучения, переменных магнитных полей, криогенных жидкостей и градиентов магнитного поля [22].

Впринципе не каждый человек может подвергаться МРТ исследованию. Поскольку магнитное поле может отрицательно повлиять на здоровье человека, необходимо соблюдать ряд требований [23]. Нельзя допускать нахождение людей с кардиостимуляторами, ферромагнитными или электронными имплантами в магнитном поле, превышающем 5 Гс. Этот предел в 10 раз выше, чем среднее магнитное поле Земли, но ниже чем магнитное поле в электроустройствах (например, на поверхности приемника телефона поле составляет 35 Гс, в аудио наушниках 100 Гс, в метро – 7 Гс). Магнитное поле, действующее на человека с кардиостимулятором, может индуцировать токи в цепях кардиостимулятора, которые, в свою очередь, могут вызвать его отказ и смерть пациента. Металлические имплантаты могут сместиться под действием поля и привести к тяжелой травме пациента [24].

Вкомнату с магнитом не должны попадать никакие ферромагнитные объекты (кислородные баллоны, аппараты искусственной вентиляции и т.д.)

[15].Магнитные поля сильных магнитов могут буквально поднимать и притягивать большие ферромагнитные предметы в отверстие магнита. Присутствие ферромагнитных предметов вблизи магнита недопустимо по двум причинам. Во-первых, они могут ранить или убить человека, находящегося внутри отверстия магнита. Во-вторых, они могут серьезно повредить магнит и концентрические криогенные сосуды Дьюара внутри него, а также отображающие РЧ катушки.

Нельзя допускать попадания магнитных носителей в магнитные поля, т.к поля, превышающие 50 Гс, затирают хранящуюся на них информацию.

82

Положения о безопасности United States Food and Drug Administration (USFDA) утверждают, что поля, сила которых не превышает 2 Тл, могут использоваться в обычном порядке при клинических исследованиях [19]. Для научных исследований ограничения силы магнитных полей установлены на уровне 4 Тл для головы и тела, и 5 Тл для конечностей.

На не ферромагнитные объекты (алюминий, бериллий, медь, свинец, магний, никель, золото, серебро, титан) магнитные силы действовать не будут, но эти объекты могут вызвать искажения изображений и незначительно нагреться во время исследования. Кроме того, в зоне расположения металлических имплантатов будут возникать наведенные электрические токи.

Невозможно проведение МРТ при клаустрофобии или других подобных заболеваний, которыми страдает 20% людей. Сильный акустический шум, создаваемый взаимодействиями магнитного поля, создаваемого импульсами тока в градиентной катушке, с главным магнитным полем, и подчас превышающий 99 дБ также может сделать невозможным проведение ЯМР исследования. Поскольку уровень шума МР-системы растет с увеличение силы поля, при использовании эхо-планарного отображения и быстрых трехмерных алгоритмов, в высокопольных МРТ используются системы компенсации акустического шума, снижающие его до допустимых значений.

Влияние используемых полей на пациента описывается поглощенной дозой, скорость изменения поля, коэффициентом поглощенного излучения.

Поглощенная доза (absorbed dose) показывает РЧ мощность, поглощенную единицей массы объекта, и измеряется в ваттах на килограмм (Вт/кг). Поскольку РЧ импульсы, используемые в МРТ, поглощаются тканями, при определенных условиях может привести к их нагреву, степень которого зависит от силы поля, РЧ мощности, типа передающей катушки, используемой импульсной последовательности.

Скорость изменения магнитного поля dB/dt (Тл/с) вычисляется как отношение количественного изменения амплитуды магнитного поля (dB) ко времени, необходимому для этого изменения (dt). Быстроменяющиеся градиентные поля могут вызвать дискомфорт и стимуляцию периферических нервов (60 Тл/с), ощущение покалывания [13]. Обычно в современных МРтомографах скорость изменения магнитного поля при клинических исследованиях не превышает 45 Тл/с.

Коэффициент поглощенного излучения (Specific Absorbtion Rate, SAR) - РЧ мощность, поглощенная единицей массы объекта (Вт/кг); описывает потенциальный нагрев тканей пациента под действием РЧ энергии, необходимой для получения МР-сигнала. SAR растет с силой поля, РЧ мощностью и цикличностью, типом передающей катушки и размером тела. В сильных полях, некоторые ИП могут давать более высокий SAR, чем рекомендовано. Но обычно угрожающее повышение температуры не достигается: даже в сильных полях и местный нагрев тканей не превышает (1–2,1)°C.

83

2.12. Перспективы развития МРТ

Перспективы развития МР-томографии связаны с совершенствованием как аппаратуры, так и алгоритмов обработки и анализа данных. Создание сильных магнитных полей позволяет повысить чувствительность метода, а использование мощных градиентов позволяет сократить время TE и снизить потери сигнала вызванные расфазированием спинов.

Вобласти материаловедения МРС твердых тел можно использовать для исследования новых материалов большой технологической важности - стекол, керамики, полимеров, синтетических мембран, сверхпроводников, а также для исследования реакций в каталитических поверхностях.

Впищевой химии МРТ может использоваться для проверки старения вина и его подлинности, для идентификации масел. Она может внести вклад

внеразрушающее исследование механизмов, ответственных за разложение пищи. ЯМР методы высокого разрешения применяются в анализе сложных смесей различных экстрактов натуральных продуктов.

Удалено: <sp><sp><sp>

Рис. 51. Томограммы продуктов: помидор (а), лимон (б), яйцо (в)

В области клинических исследований развитие МРТ связано с созданием алгоритмов быстрого сбора данных, совершенствованием методов обработки данных. МРС может применяется в локализации и характеристике метаболитов в биологических жидкостях, в диагностике заболеваний и как неразрушающая процедура для идентификации тканей [16].

Для химиков, физиков и биологов МР-микроскопия возможно самый мощный инструмент изучения веществ на молекулярном уровне, т.к. регистрируемые сигналы изменяются согласно ядерной плотности и свойствам ядерного окружения. Поэтому можно локализовать в 3D объеме магнитные ядра, позволяющие получать изображения и наблюдать объекты с разрешением, достигающим 10-6 м. ЯМР микроскопия применяется для обнаружения микродефектов в пластмассовых трубах, алмазной локализации (чтобы избежать нарушений при процедурах, следующих за раскопками), даёт информацию о созревании плодов, лучших условиях обработки и температурах приготовления продуктов.