Rezonanta Magnetica Nucleara [PDF]

Zitiervorschau

Rezonanta Magnetica Nucleara - RMN 1.Imagistica prin rezonanta magnetica nucleara Rezonanta Magnetica Nucleara este o tehnica spectroscopica folosita frecvent indomenii precum chimie,chimie fizica,medicina biofizica si inginerie nucleara. Estefolosita pentru determinarea structurii diversilor ompusi chimici. Imagistica RMN are ca scop realizarea unei imagini bidimensionale dintr-oanumita sectiune a corpului din care e posibila obtinerea unei imaginitridimensionale,pornind de la un numar mare de sectiuni ori chiar a unei inregistraritridimensionale,a raspunsului tesuturilor la un semnal magnetic ce induce RMN a protonilor,oferind asrfel informatii despre starea fiziologica sau patologica a unor tesuturi. Parametrii masurabili care fac posibila obtinerea acetor informatii suntdensitatea de protoni si timpii de relaxare.densitatea de protoni este legata de hidratareatesuturilor iar timpii de trelaxare depend de starea apei dein tesuturi,deci de interactiuneei cu moleculele bologice.

2.Principii fizice si biofizice ale imagisticii prin RMN In cazul RMN experimentele se realizeaza pe nuclei atomilor si nu pe eletroniiacestora,asa ca informatia ce va fi furnizata se va referi la model de pozitionare spatiala aacestor nuclei in compusul chimic ce est studiat. Nuclei prezinta o proprietate intrinsecanumita spin. Acest fenomen are la baza anumite considerente fizice. Unul dintre acestea ar fi ca orice sarcina electrica care este in miscare genereazain jurul sau un camp magnetic. Acelasi lucru se intampla si in cazul nucleilor,care suntsarcini electrice positive,atunci cand,datorita rotatiei pe care o efectueaza in jurul propriilor axe,se genereaza un camp magnetic caracterizat printr-un moment magnetic μ, proportional se de sens opus cu spinul nucleului l. in cazul RMN nuclei de interes suntacei nuclei care au valoarea l=1/2. Ar mai fi si faptul ca daca asezam un nucleu atomic intr-un camp magnetic extern Bo,atunci vectorul moment magnetic va putea fi paralel (l=+1/2) sau antiparalel(l= -1/2) cu directia acestui camp. De speciicat ca energia sistemului antiparalel este maimare decat energia sistemului paralel,aceasta diferenta fiind direct proportionala cuvaloarea campului Bo(∆ E=μB/l). Daca iradiem nucleul cu un camp de radiofrecvente RF pe o directie transversalaa campului constant Bo,acest camp transportand o energei egala cu ∆E,atunci nucleul(spinul) se va excita trecand de la starea de energie +1/2 la starea de energie -1/2 ce estecaracterizata prin energie mai mare. Dar cum in conditii naturale orice system fizic tindecatre o stare cu energie cat mai mica acest nucleu se va relaxa,trecand din nou la starea deenergie +1/2 si emitand un alt camp de radiofrecvente din a carui parametrii se obtininformatii despre natura nucleului cum ar fi pozitia sa in molecula respeciv tipulnucleului. Principiile imagisticii de rezonanta magnetica nucleara sunt ca: O particula care se afla in miscare de rotatie e caracterizata de un momentcinetic(L),care este vector perpendicular pe planul traiectoriei,dependent de masa siviteza particulei si raza traiectoriei,deci descrie caracteristicile miscarii: L ~mvr.

O sarcina electrica ce se afla in miscare este influentata de un camp magnetic,deci secomporta ca un mic magnet,caracterizat printr-un moment magnetic. Momentul magneticeste,la fel ca si cel cinetic,un vector perpendicular pe planul traiectoriei ,sensul depinzandde semnul sarcinii. Daca o particula,avand un moment magnetic nenul,e plasata in camp magnetic(B),asupra ei se exercita o serie de forte ,ceea ce imprima o miscare de precesie,precesieLarmour,avand ca ax directia campului magnetic,in urma careia se va orient ape directialui B. miscarea este asemanatoare cu miscarea unui titirez. O populatie de nuclee cu spin nenul ,plasata intr-un camp magnetic uniform siconstant se repartizeaza intre cele doua nivele energetice conform legii lui Boltzman.Daca peste acest camp se suprapune un camp electromagnetic cu frecventaLarmour,spinii absorb energia si pot trece rapid pe nivelul energetic superior;ei intra inrezonanta cu campul electromagnetic. Reorientarea spinilor induce o tensiuneelectromotoare intr-o infasurare ce inconjoara proba. Aplicandu-se un campelectromagnetic de frecventa variabila continuu(in domeniul de rediofrecventa) ,fiecare specie nucleara cuprinsa in esantion va intra in rezonanta la propria frecventa Larmour ;s-a realizat astfel un baleiaj de frecventa. Inregistrandu-se semnalul se obtine spectrulRMN ,A(v);frecventa liniilor spectrale corespunde frecventei Larmour a nucleelor, iar amplitudinea numarului de nuclee care absorb la frecventa respective. Aceasta operatie se poate realiza si astfel:campul electromagnetic aplicat are ofrecventa constanta,dar peste campul B se aplica un al doilea camp,de intensitate multmai mica(∆B) si reglabil. Se face astfel baleiaj de camp. In present spectrele RMN se obtin prin aplicarea unui semnal de radiofrecventasub forma unor impulsuri scurte,de frecventa fixa. Acestea induc o perturbare a spinilor.Dupa incetarea impulsului,ei revin in situatia de echilibru,printr-o precesie Larmour libera,corespunzand unui semnal sinusoidal amortizat,specific pentu fiecare specienucleara prezenta. Se inregistreaza raspunsul sistemului ca o functie de timp f(t). Printr-otransformare Fourier se obtine spectrul A(v) al sistemului. Frecventa Larmour,depinzand de inductia campului magnetic in imediatavecinatate a nucleului,e influentata de campurile magnetice ale altor nuclee prezente side norul electronic ce inconjoara nucleul. Acesta realizeaza o ecranare,ce se manifesta prin fapul ca nucleul “simte” un camp magnetic mai mic decat cel aplicat(B). Consecintava fi o deplasare a frecventei de rezonanta fata de cea a nucleului izolat. Deplasarea e deodinul micro din frecventa de rezonanta si se exprima in parti pe million. Deplasarea poate da indicatii asupra mediului ambiant. La excitarea cu un camp de radiofrecventa a moleculelor,interactiunile dintre protoni sunt multiple,deci spectrele ce se obtin sunt extrem de complexe,multe liniispectrale suprapunandu-se,asa ca devine destul de dificil de extras informatia . acest lucrueste inlaturat prin spectroscopia bidimensionala. Excitarea se face in secvente. Intr-o prima etapa proba este iradiata cu un semnal de radiofrecventa care va excita toatenucleele. Fiecare insa va avea o precesie cu o frecventa ce depinde de campul local,decide interactiunile la care ia parte . dupa un timp t1 variabil in trepte,cand spinii vor fidefazati in functie de propria frecventa Larmour,se aplica un al doilea semnal deradiofrecventa ,care va avea,in mod evident,efecte diferite asupra fiecarui spin. Dupa untimp t2,timpul de achizitie,se inregistreaza raspunsul. Operatia se repeat pentru diferitevalori ale lui t1,dupa ce se asteapta,de fiecare data,revenirea la starea de repaus. Prinanaliza Fourier a raspunsurilor inregistrate se obtine spectrul bidimensional,in functie dedoua variabile de frecventa corespunzatoare t1 si t2. Spectrul va cuprinde o serie devarfuri aflate pe diagonala,reprezentand spectrul unidimensional,dar si alte varfuriasezate simetric fata de diagonala. Acestea indica interactiunile dintre protoni.Spectroscopia RMN bidimensionala e foarte utila pentru determinarea structurii proteinelor si a altor macromolecule biologice.

5.Rezonanta magnetica nucleara-scurt istoric In spatele Rezonantei Magnetice Nucleare se afla anumite principii ce stau la baza,principii care pornesc din cercetarea timpurie in fizica particulelor. Dupa cincizecide ani de fizica particulelor joaca un rol major in transpunerea aparatelor de rezonantamagnetica nuclear ape piata comerciala. In 1937,Isidor Isaac Rabi a observat ca atomii de hydrogen raspund unuicamp magnetic puternic,prin indicarea aceleiasi directii,ca acele unei busole. Mai tarziuoamenii de stiinta au descoperit ca acel camp actiona asupra nucleilor atomilor ,care suntincarcati pozitiv. Cand un al doilea camp magnetic,osciland la frecventa potrivita,lovesteatomii,unii nuclei de hydrogen primesc un impuls de energie si fac o rotatie de 90 degrade. Cand cel de-al doilea camp magnetic este inlaturat,nuclei se intorc la pozitiainitiala. Aceasta realiniere are loc diferit in functie de material,oferind oamenilor destiinta o cale de a le deosebi. In 1946,Edward Purcell si Felix Bloch au determinat faptul ca intensitatea primului camp magnetic si frecventa celui de-al doilea sunt legate de un fenomen numitde ei rezonanta magnetica nucleara sau RMN. Curand RMN-ul era folosit pentru aanaliza natura chimica a lichidelor so solidelor. Datorita faptului ca 55-60% din corpuluman este apa ,iar fiecare molecula de apa contine doi atomi de hydrogen,tehnica ar fiideala pentru studierea tesutului viu. In 1973,Paul Lauterbur descoperit faptul ca adaugand variatie campuluimagnetic mare,se putea identifica locatia exacta a unor atomi de hidrogen individuali,dintr-o mostra. Paul Lauterbur a folosit aceasta informatie suplimentara pentru a realize prima imagine de rezonanta magnetica nucleara. Cuvantul nuclear a fostabandonat,pentru a nu sugera ca tehnica ar fi periculoasa datorita unor radiatii nucleare,iar tehnica a luat numele de imagistica cu rezonanta magnetica. Rabi , Purcell,Block siLauterbur au primit Premii Nobel in fizica pentru contributia lor la aceasta. In 1974,exact cand tehnica lui Lauterbur devenea cunoscuta, Fermi NationalAccelerator Laboratory a inceput sa construiasca ceea ce a devenit cel mai mareaccelerator de particule din lume, Tevatron-ul. In mod accidental,atat Tevatron-ul cat si tehnologia RMI,erau la punctemajore de cotitura,amandoua avand nevoie de campuri magnetice foarte puternice. Pentru a alinia atomii de hidrogen din corpul uman in tinpul unei scanariRMN este nevoie de un magnet de 3000 de ori mai puternic decat magnetii permanentide pe frigider. Dar magnetii permanenti mari nu sunt practice pentru ca nu pot fi opriti,sunt foarte grei si genereaza campuri magnetice care genereaza campuri magnetice caredevin oricand instabile. In acelasi timp Tevatron-ul avea nevoie de magneti de 4000 de ori mai puter-nici pentru a accelera particule de-a lungul traseului sau cu lungime de 6 kilometrii.Acceleratoarele precedente foloseau magneti facuti din sarma electrica infasurata incolace cilindrice, dar acesti electromagneti pierd o cantitate semnificativa de energie princaldura,crescand astfel costul elctricitatii la cote extreme. Solutia pentru ambele probleme era superconductivitatea. Cand sunt racite la temperature apropiate de 0 absolut,sarmele facute din alajede metale ,permit fluxului de curent electric sa treaca liber fara sa piarda caldura. Stranseintr-un colac au devenit magneti superconductori ,o tehnologie efiecienta pe planenergetic,care deja era familiara fizicienilor.