Электрические и магнитные свойства биологических тканей Электростатика Постоянный

Электрические и магнитные свойства биологических тканей. Электростатика. Постоянный ток. Магнитное поле. Электромагнитная индукция. Электромагнитные колебания и волны.

Электромагнитные волны в биологических средах.

Гальванизация. • Лечебный метод, при котором используется действие на ткани организма постоянного тока небольшой величины (нескольких “m. А”), называется гальванизацией тока. • Источником обычно служит двухполупериодный выпрямитель с электрическим фильтром - аппарат гальванизации. Применяют для этого электроды из листового свинца или станиоля толщиной 0, 3 - 0, 5 мм. Так как продукты электролиза раствора поваренной соли, содержащегося в тканях, вызывают прижигание, то между электродами и кожей помещают гидрофильные прокладки, смоченные, например, теплой водой. • Дозируют постоянный ток по показаниям миллиамперметра, при этом обязательно учитывают предельно допустимую плотность тока - 0, 1 m. А/см 2.

Лечебный электрофорез. • Электрофорез - движение в жидкости заряженных частиц под действием электрического поля (взвешенных твердых частиц, пузырьков газа, коллоидных частиц и др. ). • Электрофорез применяют в медицине для анализа белкового состава сыворотки крови и желудочного сока. Кроме того, этот метод позволяет разделять не только белки, но и нуклеиновые кислоты, аминокислоты, стерины и другие биологические вещества. • Постоянный ток используется в лечебной практике также и для введения лекарственных веществ через катод или слизистые оболочки. Этот метод получил название электролиза лекарственных веществ.

К Э Э + Б P P а ) Б б ) Х I 0 в) X

Ядерный Магнитный Резонанс

Принцип метода ЯМР Во многом аналогичен принципу метода ЭПР. Заключается в поглощении электромагнитного излучения ядрами атомов, имеющими ненулевой магнитный момент, при их помещении в магнитное поле. -½g. Nb. NH E E = hn DE = 2 m. H=g. Nb. NH H +½g. Nb. NH = hn Явление ЯМР открыто Блохом в 1945 году. В 1952 г. это открытие отмечено Нобелевской премией.

Как определить величину магнитного момента ядра? Число протонов (порядковый номер) четный Массовое число (число протонов + число нейтронов) четное Число нейтронов (массовое число – порядковый номер) четное четный нечетное нечетный четное нечетное Спиновое квантовое число I=0 I = 1/ 2 Пример 12 C 6 16 O 8 13 С 6 I = 1/ 2 1 H 1 15 N 7 I=1 14 N 7 2 D 1 Ядро атома будет иметь ненулевой магнитный момент, в том случае, если число протонов или число нейтронов (или оба), будут нечетные.

Энергия ядра в магнитном поле m. N – магнитный момент ядра PN - механический момент ядра I - спиновое квантовое число ядра e. N - заряд протона m. N – масса протона g - гиромагнитное отношение b. N - ядерный магнетон Бора

Количественные различия между ЭПР и ЯМР

Свойства спектров ЯМР 1. Интенсивность сигнала. Пропорциональна концентрации магнитных ядер в образце. 2. Химический сдвиг. Зависит от степени экранировки ядер электронами. Измеряется в миллионных долях (м. д. ). 3. Спин-спиновое расщепление линий. Зависит от количества магнитных ядер в непосредственной близости от поглощающего ядра. Это свойство спектра в некоторой степени аналогично сверхтонкой структуре в спектрах ЭПР. 4. Ширина линии. Как и в ЭПР спектроскопии определяется временем релаксации ядер, которое в свою очередь зависит от взаимосвязей ядер и электронов.

Химический сдвиг CH 3 CH 2 Cl d Электроны, прецессируя вокруг вектора внешнего магнитного поля, создают дополнительное магнитный момент: H'=s*H 0 H' – дополнительный магнитный момент, H 0 – вектор внешнего магнитного поля, s - константа экранирования d Hэфф = H 0 - H' = H 0 – s. H 0 = H 0(1 -s) Химический сдвиг измеряется в относительных единицах, называемых «миллионными долями» (“ppm”) и вычисляется как: d = Dn/n 0 *106 = DH/H 0 *106

Влияние растворителя на величину химического сдвига

Спин-спиновое расщепление линий Взаимодействие магнитных ядер друг с другом приводит к расщеплению линий. Расстояние между линиями характеризуется константой спин-спинового взаимодействия J. Сигнал метильных протонов (CH 3) расщеплен на 3 пика (1: 2: 1), т. к. в соседней метиленовой группе есть 2 эквивалентных протона. Сигнал метиленовых протонов (CH 2) расщеплен на 4 пика (1: 3: 3: 1), т. к. в соседней метильной группе есть 3 эквивалентных протона.

Блок-схема спектрометра ЯМР магнит образец блок магнита управление магнитом усилитель сигнала блок управления индуцирующие катушки детектирующие катушки блок детектора и усиления

Устройство магнита ЯМР спектрометра

Спектр ЯМР 13 С олеиновой кислоты 180. 58 130. 03 129. 74 34. 18 31. 99 29. 73 Inten sity 221 353 377 304 765 29. 40 696 853 29. 14 1000 27. 24 608 24. 73 22. 74 14. 12 368 333 d, ppm =15. 09 МГц Atom 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18

Спектр ЯМР 1 H олеиновой кислоты Atom d, ppm A B C D E F G J 11. 00 5. 35 5. 33 2. 00 1. 63 1. 45 to 1. 23 0. 88 =89. 56 МГц

Спектр ЯМР 1 H олеиновой кислоты Atom d, ppm A B C D E F G J 5. 34 2. 01 1. 63 1. 35 1. 31 1. 27 0. 88 =399. 65 MHz

Применение в медико-биологических исследованиях 1. Исследование структуры белков с помощью 1 Н-ЯМР высокого разрешения и Фурье-преобразований. 2. Изучение свойств свободной и связанной воды помощью импульсного 1 Н-ЯМР. 3. 13 С-ЯМР спектроскопия применяется для изучения белков, нуклеиновых кислот и других биологически важных соединений. Обладает большей чувствительностью, чем 1 Н-ЯМР. 4. 31 Р-ЯМР спектроскопия часто применяется для исследования структуры и функций фосфолипидов.

Рекомендуемая литература: Книги: • Керрингтон Э. и Мак. Лечлан Д. Магнитный резонанс в химии. Издательство «Наука» , 1972 г. • Кантор Л. Р. и Шиммел П. Р. Методы биологической физики. Издательство «Мир» , 1983. Веб-сайт: http: //www. cis. rit. edu/htbooks/nmr

Магнитная Резонансная Томография

История открытия МРТ 1946 Явление ЯМР: Блох и Пурсел. 1952 Нобелевская премия: Блох и Пурсел 1960 Развитие ЯМР как аналитического метода 1972 1 -мерная Томография 1973 Основы МРТ - Лаутербур 1975 МРТ с применением Фурье - Эрнст 1980 3 х-мерная МРТ - Эдельштейн 1986 МРТ с использованием Спинового эха 1988 МРТ- ангиография - Дюмулин 2003 Лаутербур и Мансфилд - Нобелевская премия

Физические основы МРТ M 0 H 0 = В отсутствие поля Внешнее магнитное поле приведит к разделению ядер на 2 группы в соответствии с распределением Больцмана Результирующий ядерный магнитный момент является причиной появления макроскопической намагниченности

Принцип метода МРТ M 0 H 0 В отсутствие внешнего электромагнитного поля 900 электромагнитный импульс (H 1) M 0 1800 электромагнитный импульс (H 1) В результате воздействия электромагнитного импульса вектор намагниченности отклоняется от равновесного состояния

T 1 -релаксация (продольная) M 0 z 1 y x MZ M 0 MZ=M 0(1 -e-1) при t=T 1 0, 5 0 M 0 0 50 100 Время, c Интервал времени за который вектор MZ возвращается в исходное состояние называется временем спин-решеточной релаксации (T 1). Уравнение, описывающее зависимость вектора MZ от времени выглядит следующим образом: Mz = Mo ( 1 - e-t/T 1 )

T 2 -релаксация (поперечная) z z y x M 0 z M 0 y y x x M 0 M xy 0 1 Интервал времени за который величина намагниченности MXY возвращается в равновесное состояние называется временем спин-спиновой релаксации T 2. MXY = MXY 0*e-t/T 2 M xy 0, 8 Mxy=Mxy 0/e при t=T 2 0, 6 0, 4 0, 2 0 0 50 Время, c 100

Процессы релаксации Время спин-решеточной релаксации – Т 1 Время спин-спиновой релаксации - Т 2

Измерение пространственного распределения сигнала ЯМР Объект с несколькими центрами в однородном магнитном поле дает одиночный сигнал ЯМР

Обнаружение сигнала ЯМР в градиенте магнитного поля

Круговые проекции градиента магнитного поля Круговая проекция магнитного поля дает 2 х-мерное изображение изучаемых объектов

Спад Свободной Индукции Электромагнитный импульс (RF) вызывает появление сигнала свободной индукции, который затем исчезает в результате процессов релаксации (free induction decay или FID).

Принцип преобразования Фурье Преобразование Фурье операция, в результате которой зависимость сигнала от времени превращается в его зависимость от частоты.

Типы МРТ изображений r (ро) - взешенное по протонной плотности Т 1 – взвешенное по времени Т 1 Т 2 – взвешенное по времени Т 2

Метод восстановления насыщения M 0 M 0 y x 90 o ЭМ импульс T 1 -релаксация 90 o ЭМ импульс Время повтора (TR) Вектор намагниченности M 0 может быть отклонен на 90 o с помощью ЭМ импульса. За время повтора (TR) система релаксирует и вектор M 0 возвращается в равновесное состояние.

ССИ Применение метода восстановления насыщения для измерения времени T 1 100 80 60 40 20 0 TR=2000 0 500 1000 1500 2000 TR=500 TR (s) Измерение сигнала свободной индукции (ССИ) у тканей с различными значениями времени T 1 TR=100 кровь мышцы жир

МРТ изображение тканей головного мозга, полученное методом восстановления насыщения Серое вещество Белое вещество СМЖ Адипозная ткань Мышцы Менингеальная об.

Метод восстановления инвертированного сигнала M 0 M 0 y x 180 o ЭМ импульс M 0 T 1 релаксация 90 o ЭМ импульс Время инверсии (TI) Вектор намагниченности M 0 может быть отклонен на 180 o с помощью ЭМ импульса. За время инверсии (TI) система релаксирует и вектор M 0 возвращается в равновесное состояние. Чтобы измерить величину вектора прикладывают второй 90 o импульс.

Изображения, полученные методом восстановления инвертированного сигнала TR = 1000 ms TI = 50 ms TR = 1000 ms TI = 250 ms TR = 1000 ms TI = 750 ms

Метод Спинового Эха M 0 M 0 y x 90 o импульс T 1 релаксация 180 o импульс ½ времени эхо Система подвергается воздействию 90 o импульса. После чего через некоторый интервал времени следует 180 o импульс. Это приводит к появлению эха. Затем следует второй 180 o импульс, который создает дополнительное эхо.

Принцип метода Спинового Эха 90 o импульс Расфазировка 180 o импульс Восстановление фазы Эхо 90 o 180 o T 2 За 90 o импульсом следует процесс релаксации, вызывающий расфазировку системы. Воздействие 180 o импульса изменяет направление процесса расфазировки, что приводит к восстановлению исходной фазы у всех элементов системы (время эхо). Из амплитуды сигнала спинового эха может быть получена величина T 2

Изображения, полученные методом спинового эха TR = 250 ms TE = 20 ms TR = 750 ms TE = 20 ms TR = 2000 ms TE = 20 ms

Изображения позвоночника и нижних конечностей

Формулы контрастирующих веществ

Магнитно-Резонансный Томограф Общая схема томографа Внешний вид томографа

Катушки для МРТ исследования головы и кисти

Рекомендуемая литература: Книги: • Ринк П. А. Магнитный резонанс в медицине. Издательство «Blackwell» , 1993 г. Веб-сайт: http: //www. cis. rit. edu/htbooks/mri