of 40/40
Universitatea de Medicina si Farmacie “Gr. T. Popa”, Iasi Facultatea de Bioinginerie Medicala Specializare: Balneofiziokinetoterapie si Recuperare Rezonanţă magnetică nucleară (RMN) Studentă: Ciumanghel Ioana – Marina An III, grupa 4

Rezonanta magnetica nucleara

  • View
    817

  • Download
    4

Embed Size (px)

Text of Rezonanta magnetica nucleara

Universitatea de Medicina si Farmacie Gr. T. Popa, Iasi Facultatea de Bioinginerie Medicala Specializare: Balneofiziokinetoterapie si Recuperare

Rezonan

magnetic nuclear (RMN)

Student :Ciumanghel Ioana Marina An III, grupa 4

IA I -2011-

CuprinsI. Generalit i1. Cand a ap rut RMN-ul? 2. Cine a inventat RMN-ul? 3. Ce face scanner-ul RMN? 4. Indica iile explor rii IRM 5. Contraindica iile investiga iei prin rezonan 6. Ct de sigur este RMN-ul? 7. Cum se desf oar examinarea? 8. Ce magne i sunt folosi i? 9. Dezavantajele RMN-ul magnetic

II.

Imagistica medical folosind rezonan a magnetic nuclearPrincipiile generale ale imagisticii medicale

III.

Imagistica de rezonan1. Principii 2. Spectre de rezonan 4. Relaxarea spinilor 5. Imagistica de rezonan 6. Instala ia

magnetic nuclear

magnetic nuclear

3. Spectroscopia RMN bidimensional magnetic (IRM)

7. Achizi ia de date i construirea imaginii 8. Calitatea imaginii 9. Contrastul 10. Rezolu ia 11. Zgomotul

Rezonan a magnetic nuclear (RMN)

I.

Generalit i

1. Cnd a ap rut RMN-ul?La data de 3 iulie, n 1977. Atunci s-a efectuat prima scanare de genul acesta pe o fiin uman i ob inerea unei singure imagini a durat aproape 5 ore, iar dup standardele din zilele noastre, imaginea a fost catalogat ca fiind deplorabil . Cam prin 1982 existau cam 5 -6 astfel de ma in rii pe suprafa a Statelor Unite. n ziua de azi exist mii de astfel de aparate, n toat lumea, i tehnologia continu s evolueze. Am reu it s ob inem n secunde ce ini ial ob ineam n ore.

2. Cine a inventat RMN-ul?Un anume fizician Dr. Raymond Damadian, mpreun cu doi colegi : Dr. Larry Minkoff i Dr. Michael Goldsmith. De i prima apari ie a acestei tehnologii a fost aproape inobservabil , dup 7 ani de munc i cercet ri intense, ace ti trei oameni au oferit medic inei un pilon extrem de important.

3. Ce face scanner-ul RMN?Cu ajutorul unor impulsuri de energie sub form de unde radio, scanner-ul vede absolut tot ce se afl ntr -un om, poate determina tipurile de esut din el i poate detecta orice obiect/forma iune strain , fie ea ct de mic . Scanner-ul RMN, scaneaz corpul uman strat cu strat, punct cu punct, pentru a crea h r i 2D sau 3D a esuturilor. La urm pune toate informa iile la un loc pentru a crea imagini 2D sau modele 3D, foarte utile la diagnosticare. Imagistica prin rezonan magnetic (IRM) sau Rezonan a magnetic nuclear (RMN) reprezint o investiga ie modern , foarte performant , ce ofer informa ii mai precise dec t radiografia, ecografia sau tomografia computerizat . RMN-ul folose te un cmp magnetic i unde de radiofrecven pentru a oferi imagini ale diferitelor organe i esuturi ale corpului. n anumite

situa ii, pentru o mai bun vizualizare a organelor, se pot folosi subst an e de contrast. Tehnica IRM este o metod imagistic ce nu folose te radia ia X ci folose te propriet ile protonilor de hidrogen (H+) din corpul omenesc, care este format n propor ie de peste 90% din ap . Rezonan a reprezint schimbul de energie ntre dou sisteme ce oscile az cu aceea i frecven . Undele utilizate sunt unde de ra diofrecven 1 si 100MHz). IRM-ul este folosit pentru diagnosticarea unei mari variet i de afec iuni. Practic tot corpul poate fi cercetat cu acest investiga ie, iar modific rile patologice sesizate sunt dintre cele mai mici. Trebuie subliniat nca de la nceput faptul c n acest c mp magnetic nu pot fi introduse metale sau alte dispozitive ferom agnetice ce ar putea fi atrase n interiorul tubului. Este vorba de o tehnic de imagistic sec ional multiplanar care prezint capacitatea de a achizi iona imagini 2D n oricare din cele trei planuri fundamentale (axial, sagital, coronal), oblice sau imagini tridimensionale 3D, cu un contrast optim intertisular. IRM este metoda de explorare imagistic prin care se ob in sec iuni tomografice cu grosimi de 1-30 n oricare plan al spa iului, prin utilizarea unor impulsuri de radiofrecven ntr -un cmp magnetic intens i omogen. Se n corpul bazeaz pe comportamentul nucleilor atomilor ntr-un cmp magnetic intens n particular al nucleil or de hidrogen care se g sesc din abunden uman - i pe fenomenul de rezonan aplicarea unui puls de radiofrecven cu o frecven specific . al acestora n cmpul magnetic la (RF cu intensitate cuprins ntre

Informa iile ob inute prin investiga ia imagistic prin rezonan a magnetic (IRM) pot fi stocate i salvate n form electronic . De asemenea, n cazul n care situa ia o cere, aceste informa ii pot fi transformate n poze sau filme. Magnetul superconductibil, trebu ie r cit cu heliu i este de regul de mare intensitate, intensitate care poate varia cel m ai frecvent pentru uzul clinic ntre 0,5 si 3 tesla. Exist i magne i destina i cercet rii n care se pot introduce animale mici sau mostre de mate rial biologic care pot ajunge pn la intensit i de 11 - 13 T. Magnetul este ntotdeauna activ, "puterea" sa fiind

foarte mare, putnd atrage o cheie din fie r masiv de 25 cm de la o distan mai mare de 7 m. Pe masur ce intensitatea magnetului cre te, imaginile devin "mai bune", crescnd rezolu ia spa ial , iar secven ele devin mai scurte. Exist ns i dezavantaje, la cmpuri de intensitate mai mare, tehnicile de achizi ie sunt puternic influen ate de artefacte; cele mai mici anomalii put nd s duc la compromiterea total a unei serii achizi ionate. Echilibrul ntre avantajele unui cmp "mare" i dezavantajele acestuia s-au stabilit la 1,5 T. La aceast intensitate se pot ob ine imagini foarte bune, cu o rezolu ie spa ial ce poate sc dea sub 1mm, f r deteriorarea imaginilor i f r artefacte. Practic, pacientul este introdus ntr -un cmp magnetic de intensitate crescut ce aliniaz to i protonii din organism pe aceea i direc ie. Alinierea protonilor n cmp magnetic se face paralel cu cmpul magnetic principal sau antiparalel cu el. Alinierea paralel corespunde unui nivel minim energetic, iar cea antiparalel unui nivel maxim. Protonii alinia i nu se vor afla ns n repaus, ci ntr -o mi care permanent de precizie asimilat cu mi carea titirezului n jurul unui ax imaginar. Pentru fiecare grup de secven e, caracteristicile tisulare ale diferitelor structuri din organism se vor exprima printr -un semnal mai intens sau mai pu in intens (mai alb - hipersemnal sau mai negru - hiposemnal). Exist esuturi foarte bogate n protoni - H+ (apa) i esuturi foarte s race n H+ (corticala osoas ).

4. Indica iile explor rii IRM cuprind: Capul i gtul: IRM poate detecta anevrisme, snger ri cerebrale, leziuni nervoase, accidente vasculare cerebrale, afec iuni ale ochiului, urechilor etc; Regiunea toracic : poate diagnostica afec iuni ale cordului, pl mnilor, vaselor de snge, cancerul de s n, cancerul pulmonar; Regiunea abdominal i pelvisul: poate depista leziuni ale aproape tuturor organelor abdominale i pelvine: ficat, pancreas, splin , rinichi, vezic , uter, ovare, prostat . Este un instrument folositor n diagnosticarea tumorilor

acestor organe, infarctelor, infec iilor; Oasele i articula iile: poate diagnostica tumori osoase, fracturi, rupturi de tendoane i ligamente, infec ii ale oaselor; Vasele de snge: exist o variant de rezonan magnetic numit Angio-RMN, specializat pe investigarea vaselor de snge i circula iei. Este util n depistarea cheagurilor, trombozelor, anevrismelor i altor afec iuni vasculare.

5. Contraindica iile investiga iei prin rezonan magnetic :Exist cteva categorii de persoane care nu pot beneficia de aceast investiga ie, pentru care medicul trebuie s g seasc metode alternative de diagnostic: Persoanele alergice la substan a de contrast acestea sunt pe baz de iod i dac exist antecedente de alergie la diferite substan e ce con in iod, investiga ia nu trebuie s aib loc, deoarece riscurile sunt mai mari dect beneficiul; Pacientele ns rcinate; Pacien ii care au implanturi metalice: pacemakere, proteze de old, tije, valve cardiace metalice, sau orice alt fel de metal fixat pe corp. Orice obiect metalic introdus n c mpul magnetic al aparatului de rezonan magnetic devine un poten ial pericol; Pacientele cu dispozitive intrauterine trebuie s informeze medicul asupra lor, deoarece unele contraindic investiga ia; Pacien ii cu boli renale nu pot primi substan a de contrast; Pacien ii claustrofobi, agita i, care fac convulsii.

6. Ct de sigur este RMN-ul?Scannerele RMN au ni te magne i extraordinari de puternici. Intensitatea lor se m soar n ni te unita i numite tesla(1 tesla=10.000 gauss). Scannerele din ziua de azi variaz de la 0.5 tesla pn la 2 tesla (5.000 gauss pna la 20.000 gauss). n medicin nu exista magne i mai puternici de 2 tesla, de i n cercet ri se folosesc magne i de pn la 60 tesla.

Ca s n elege i mai bine ct de puternici sunt ace ti magne i, gndi i -v c P mntul are un cmp magnetic cu o intensitate de aproximativ 0.5 gauss (2 tesla = 20.000 gauss). To i pacien ii, nainte de a intra n camera scannerului, sunt rugati sa indeparteze orice form de metal, iar dac au metale n ei nu se efectueaza astfel de scan ri (obiectele metalice din ei, depinznd de form , m rime i densitate ar fi efectiv smulse din ei, sau ar vibra n ei cauznd multe traume). Totu i sunt cteva excep ii permise, cum ar fi majoritatea implanturilor ortopedice, care de i sunt feromagne tice, sunt foarte bine prinse de om. Tot o excep ie constituie i unele copci metalice, care dup aproximativ 6 s ptamani pot fi inute cu u urin , de esutul uman, la locul lor.

7. Cum se desf

oar examinarea?

Pacientul intr n camera de dezbr care, se dezbrac de hainele purtate i mbrac un halat de unic folosin . nainte de a fi introdus n aparatul de rezonan magnetic pacientul trebuie s nl ture orice obiect metalic pe care l are asupra sa: ceas, monede, agrafe de p r, bijuterii, p l ci dentare, dispozitive de auz, carduri. Este introdus n camera unde exist magnetul i este a ezat pe masa de examinare de c tre personalul medical. n anumite situa ii, pe corpul pacientului se a eaz bobinele emi to are i receptoare de unde de radiofrecven . n timpul testului pacientul trebuie s stea ntins pe o mas , nemi cat, i s efectueze comenzile pe care medicul i le cere. Testul dureaz de regul ntre 30 i 60 de minute ns se poate prelungi n func ie de ceea ce se investigheaz . Pacien ii care se simt incomfortabil in interiorul magnetului trebuie seda i pentru a se relaxa, sau pot fi investiga i n aparate care au magnetul deschis (nu nconjoar n totalitate corpul). Investiga ia nu produce durere, ns uneori poate ap rea o senza ie de r ceal sau c ldur , furnic turi, dificult i de respira ie, grea , ame eal . Dac este necesar, se va injecta substan a de contrast paramagnetic . Aceste substan e sunt sigure, iar efectele adverse apar extrem de rar. Pentru

aceast explorare cu contrast este necesar analiza sanguin a ureei i creatininei, realizat cu 24 -48 de ore naintea examin rii. Exist mai multe tipuri de IRM, specializate pe diferite segmente: IRM de difuzie, Angio- RMN, IRM func ional, fiecare dintre acestea avnd o aplicabilitate restrns . Se face:RMN FETAL. Cnd exist suspiciuni de malforma ii sau cnd ecografia

nu ofer suficiente informa ii, medicii pot da un diagnostic folosindu -se de RMN. El vizualizeaz malforma ii craniene, printre care ventriculomegalia asimetric , agenezia de corp calos, malforma iile fosei posterioare, tumori. RMN fetal poate vedea, de asemenea, herniile diafragmatice, malforma iile scheletice sau malforma iile renale i vezicaleRMN DESCHIS. Unele tipuri de RMN, numite RMN deschise, sunt

construite n forma literei C, a a nc t magnetul s nu nconjoare corpul pacientului n ntregime. Aparatele deschise au avantajul c pot fi folosite pentru pacien ii claustrofobi, pentru obezi sau pentru c opii, care nu vor mai intra astfel n panic n interiorul magnetului. Din p cate, acest tip de RMN nu se nt lne te prea des. De i este o metod diagnostic extrem de util i cu foarte multe

indica ii, investiga ia prin rezonan a magnetic r m ne totu i un examen destul de scump i disponibil doar n marile centre medicale. Din punct de vedere biologic nu s -a descoperit nc nici un pericol. Totu i se evit scanarea femeilor ns rcinate. nc nu se tie cum ar putea afecta un cmp magnetic att de puter nic un fetus n plin dezvoltare. Primul trimestru al sarcinii e critic deoarece e perioada n care fetusul se dezvolt cel mai mult. Orice scanare dup aceast perioad se face dup ndelungi consult ri cu un radiolog i un obstetrician, pentru a determin a dac e n siguran efectuarea unei scan ri. Dac o doamn doc tor e nsarcinat , i are treab cu scannerul, ea nu are voie s intre n camera cu aparatul n sine. Poate totu i supraveghea procesul din anexa de comand .

8. Ce magne i sunt folosi i?La scannerele astea se folosesc 3 tipuri de magne i:y y y

magne i rezistivi, magne i permanen i magne i supraconductori.

Magne ii supraconductivi sunt similiari magne ilor rezistivi, numai c firele bobinei se afl ntr -o baie de heliu lichid, care are o tempe ratur de 452 de grade sub 0. Greu de imaginat c i ntri ntr-un aparat, i e ti nconjurat de un lichid att de rece, dar totu i adev rat. E foarte bine izolat n schimb, printr-un sistem de vid. De ce e nevoie de heliu lichid i temperatur sta de sc zut ? Temperatura aduce rezisten n halul firelor bobinei la 0, ceea ce

face aceste sisteme extrem de ieftine de operat. De i scannerele cu acest tip de magnet sunt nc foarte scumpe, ele sunt foarte utile, fiind capabile s genereze intensitatea de 2 tesl a, cu care se ob in cele mai detaliate i mai clare imagini.

9. Dezavantaje RMN-uly y y y

Oamenii care au aparate numite Pacemaker , pot fi pu i n pericol. Unii oameni sunt prea dolofani ca s poat fi scana i. Efectul claustrofibic pe care l provoac spa iul din interiorul aparatului. Sunt extrem de zgomotoase scannerele provocnd un sunet de lovitur de ciocan repetat, care poate fi extraordinar de enervant. Majoritatea pacien ilor poart dopuri de ureche, c ti i unora li se permite s asculte muzic . Cu ct e mai puternic intensitatea cmpului magnetic, cu att e mai puternic zgomotul.

Cnd pacientul este scanat trebuie s stea absolut nemi cat, iar o scanare poate dura ntre 30 si 60 de, mul i adormind n interiorul aparatului. Orice mi care va face imaginea s fie neclar , deci trebuie s stai complet nemi cat. Articole ortopedice ( uruburi, tije, articula ii artificiale) pot provoca distorsion ri n cmpul magnetic. Pentru o imagine ct mai clar cmpul

trebuie s fie aproape perfect. Scannerele RMN su nt extrem de scumpe, iar costurile unei scan ri sunt, i ele, extrem de scumpe.

II.

Imagistica medical folosind rezonan a magnetic nuclear

Principiile generale ale imagisticii medicaleSintagma imagistic medical se refer la ob inerea de informa ii privind starea fiziologic ori patologic , pe baza interpret rii imaginii unei por iuni a corpului. Definit n felul acesta termenul este foarte larg deoarece imaginile ce se pot ob ine se bazeaz pe fenomene diferite, deci poart informa ie diferit . Ele au totu i unele elemente comune: - reprezint imagini construite, folosind mijloace tehnice avansate, pe baza r spunsului organismului la interac iunea cu factori fizici. - vectorul fizic poate fi purtat de un factor chimic, d e exemplu radiofarmaceuticele. n acest caz, interac iunea are loc ntre structurile biologice i factorul chimic, cel fizic fiind ns purt torul informa iei. Interac iunea cu factorul fizic implic cedarea unei cantit i de energie esutului. Cu ct energia cedat este mai mare, cu at t investiga ia respectiv poate avea efecte colaterale mai importante. Imaginea se construie te de la gradul diferit n care un parametru al factorului e modificat prin interac iunea cu anumite esuturi, deci func ie de caracteristicile acestora. Valorile parametrului respectiv sunt convertite n grade de luminozitate (nuan e de gri sau culori asociate con ven ional) a imaginii. Cu ct diferen a ntre caractericticile esuturilor, din punct de vedere al factorului respectiv, va fi mai mare, cu att va fi mai accentuat contrastul imaginii. Calitatea imaginii e ste dat de contrast i de posibilitatea de a distinge mai multe detalii, deci de sensibilitate i de rezolu ie. Calitatea imaginii este afectat de zgomotul suprapus peste semnalul util i de eventuale artefacte. Ace ti parametri depind de r spunsul esutului dar i de

caracteristicile radia iei incidente i de prelucrarea tehnic a r spunsului. Imaginile ob inute prin diferite tehnici difer ntre ele, func ie de:y y y

factorul fizic i parametrii acestuia; mecanismul de interac iune cu materialul biologic; mijloace tehnice folosite pentru aplicarea factorului f izic i nregistrarea r spunsului; modul de construire a imaginii, de regul pe calculator, cel pu in la tomografie; n felul acesta se poate mbun t i calitatea imaginii. Principalii factori fizicii utiliza i ast zi n imagistica medical sunt:

y

y y y

radia iile X (radiologie, tomografie X sau tomodensitometrie), ultrasunetele (ecografie i tomografie cu ultrasunete); radia iile ionizante emise de substan e radioactive, fixate, de regul , pe trasori specifici esutului investigat (scintigrafie, tomoscintigrafie sau tomografie de emisie), campul electromagnetic (tomografie RMN).

y

III. Imagistica de rezonan nuclear1. Principii

magnetic

O particul n mi care de rota ie e caracterizat de un moment cinetic (L), vector perpendicular pe planul traiec toriei, dependent de masa i viteza particulei i raza traiectoriei, deci descrie caracteristicile mi c rii: L~mvr. O sarcin electric n mi care este influe n at de un cmp magnetic, deci se comport ca un mic magnet, caracterizat printr-un moment magnetic. Momentul magnetic e tot un vector perpendicular pe p lanul traiectoriei, sensul depinznd de semnul sarcinii.

Momentul cinetic i momentul magnetic a. Momentul cinetic i momentul cinetic de spin al unui electron; b. Momentul cinetic de spin i momentul magnetic de spin al unui electron; c. Momentul cinetic de spin i momentul magnetic de spin al unui proton;

L = momentul cinetic orbital al electronul ui; v = viteza; r = raza orbitei; S = momentul cinetic de spin; = momentul magnetic de spin; e = sarcina elementar ; me, mp = masa electronului, respectiv a protonului . Electronul are un moment cinetic i, respectiv, un moment magnetic orbital, corespunzator rota iei n jurul nucleului, dar i un moment cinetic i, respectiv, un moment magnetic de spin. Acestea din urm ar putea fi interpretate intuitiv ca fiind corespunzatoare unei mi c ri de rota ie n jurul propriei axe. n mecanica cuantic , momentul cinetic de spin sau spinul (S) e cuantificat, depinznd de num rul cuantic de spin (s). Momentul magnetic se m soar n joule/tesla (J/T). M rimeaB=

h/2 =he/4 m e se nume te magnetonul lui Bohr

(me=masa electronului) se poate considera o cuant de moment magnetic. n mod similar protonul are i el moment magnetic de spin. Se define te magnetonul nuclear,N=h N/2

=he/4 m p, n care s-a nlocuit masaN

electronului cu a protonului (m p);

este raportul giromagnetic al protonului. i

Magnetonul nuclear e cu trei ordine de m rime mai mic dec t magnetonul lui Bohr deoarece masa proto nului este mai mare. Se constat clasice, c neutronul, de i neutru, are totu i un moment magnetic de spin, egal cu al protonului. Ca i n cazul electronului, nucleonii se asociaz n se demonstreaz n mecanica cuantic faptul, inexplicabil n cadrul mecanicii

perechi de spin opus (+1/2 si 1/2), astfel nct pentru un num r par, spinu l total e nul. Pentru un nucleu, cuprinznd un num r Z de protoni i A-Z neutroni, momentul magnetic de spin total se ob ine prin nsumarea momentelor corespunz toare protonilor i, respectiv, neutronilor. Sunt posibile trei cazuri:y

att protonii ct i neutronii sunt n num r par (A si Z pare); rezult nul;

un spin

y

num rul de mas (A) e impar, deci fie protonii, fie neutronii, sunt n num r impar; rezult un spin semintreg (+1/2 sau 1/2); A e par i Z impar, ceea ce nseamn c att protonii ct i neutronii sunt n num r impar; spinul este ntreg (1), deoarece spinul semi ntreg rezultat pentru fiecare tip de nucleoni n parte se adun , d nd 1. Dac o particul , avnd un moment magnetic nenul, e plasat n c mp magnetic (B), asupra ei se exercit un cuplu de for e, ceea ce imprim o mi care de precesie, precesia Larmour, avnd ca ax direc ia cmpului magnetic, n urma careia se va orienta pe direc ia lui B. E o mi care similar cu a unui titirez. Viteza unghiular ( precesie sunt date de rela iile:L=g L)

y

i, respectiv, frecven a ( L) mi carii de

B;

L=

L/2

=g( /2 )B.

nmul ind frecven a cu constanta lui Plank, se reg se te expresia magnetonului. Deci: h L=g( h/2 )B=gBB

pentru electronNB

h L=gN( Nh/2 )B=g N

pentru un proton.

Mi carea de precesie a protonului n c mp magnetic B = induc ia cmpului magnetic; = momentul magnetic;L

= viteza

unghiular a precesiei Larmour; induc ia cmpului magnetic DeciL,

= unghiul format de momentul magnetic i

frecven a Larmoure a protonului, e propor ional cu induc ia

cmpului magnetic i cu magnetonul nuclear. Ea este de ordinul MHz, a adar n domeniul de radiofrecven . Dac o particul avnd un moment magnetic se plaseaz ntr-un cmp magnetic uniform de induc ie B, ea va avea o energie poten ial: =- B=-gNNBs.

Comparnd aceast rela ie cu expresia frecven ei Larmou re, rezult c la o varia ie a num rului cuantic de spin cu 1 unitate (ntre 1/2 si +1/2), energia variaz cu =h L. Deci ntr-un cmp magnetic, protonul se poate afla n dou st ri energetice, cea mai joas corespunznd spinului +1/2. Cele dou st ri reprezint o orientare paralela (p), respec tiv, antiparalela (a), cu direc ia cmpului. La echilibru, ntr-o popula ie de protoni, reparti ia pe cele dou nivele este dat de rela ia lui Boltzmann:

n care: Np si Na reprezint num rul de protoni afla i pe cele dou nivele (paralel, respectiv antiparalel). B=induc ia cmpului magnetic; k=constanta lui Boltzmann; h=constanta lui Plank; T=temperatura absolut . Raportul are o valoare pu in mai mare dec t 1, deci pe nivelul fundamental se afl mai pu ini protoni. n consecin , la echilibru, e paralel cu induc ia c mpului magnetic (B).N rezultant

Nivelele energetice ale protonului

B = induc ia cmpului magnetic ; N p,Na = nr de protoni cu orientare paralel respectiv , antiparalel ; = diferen a dintre nivelele energetice. cu . Deci el poate absorbi Pentru ca un proton s treac de pe nivelul fundamenta l pe nivelul excitat, trebuie s i se furnizeze o energie egal o radia ie electromagnetic de frecven frecven egal cu frecven a Larmoure; este

i,

frecven a de rezonan . Dup cum reiese din rela iile de mai sus, aceast e propor ional cu induc ia c mpului magnetic B.

2. Spectre de rezonan

magnetic nuclear

O popula ie de nuclee cu spin nenul, plasat ntr -un cmp magnetic uniform i constant se repartizeaz , a a cum am v zut ntre cele dou nivele energetice conform legii lui Boltzman. Dac peste acest c mp se suprapune un cmp electromagnetic cu frecven a Larmour, spinii absorb energia i pot trece rapid pe nivelul energetic superior; ei intr n rezonan a cu cmpul EM. Reorientarea spinilor induce o tensiune electromotoare ntr -o nf variabil continuu (n domeniul de radiofrecven cuprins n e antion va intra n rezonan urare ce nconjoar proba. Aplicndu -se un cmp electromagnetic de frecven ), fiecare specie nuclear Larmour ( = L); la propria frecven

s-a realizat astfel un baleiaj de frecven . nregistrndu-se semnalul se ob ine spectrul RMN, A( ); frecven a liniilor spectrale corespunde frecven ei Larmour a nucleelor, iar amplitudinea num rului de nuclee care absorb la frecven a respectiv .

Schema de principiu a unei instala ii de spectrometrie RMN

GRF = generator de radiofrecven

(RF); BE = bobin de excitare; BR = fix ; v = frecven a; A =

bobin de recep ie; P = proba; RRF = receptor de RF; AF = analiza Fourier (n cazul excit rii cu un impuls scurt de frecven amplitudinea semnalului. Opera ia se poate realiza i altfel: cmpul EM aplicat are o frecven constant , dar peste cmpul B se aplic un al doilea c mp, de intensitate mult mai mic ( B) i reglabil. Rezonan a se ob ine pentru g N f cut un baleiaj de cmp. n prezent, spectrele RMN se ob in prin aplicarea unui semnal de radiofrecven sub forma unor impulsuri scurte ( s), de frecven fix . Acestea induc o perturbare a spinilor. Dup ncetarea impulsului, ei revin n situa ia de echilibru, printr-o precesie Larmour liber , corespunz nd unui semnal sinusoidal amortizat, specific pentru fiecare specie nuclear prezent . Se nregistreaz r spunsul sistemului ca o func ie de timp f(t). Printr-o transformare Fourier se ob ine spectrul A( ) al sistemului. Frecven a Larmour, depinznd de induc ia cmpului magnetic n imediata vecin tate a nucleului, e influen at de c mpurile magnetice ale altor nuclee prezente i de norul electronic ce nconjoara nucleul. Acesta realizeaz o ecranare, ce se manifest prin faptul c nucleul simte un cmp magnetic mai mic dect cel aplicat (B). Consecin a va fi o deplasare a frecven ei de rezonan-6 N(B+

B)=h L. S-a

fa

de cea a nucleului izolat. Deplasarea e de ordinul i se exprim n p r i pe milion (ppm=10-6). de cea n ap

10 din frecven a de rezonan frecven a de rezonan

Deplasarea poate da indica ii asupra mediului ambiant. De exemplu, a protonilor n gr simi e deplasat fa cu 3,3ppm. La B=1T, frecven a Larmour a protonilor fiind 42,6MHz

corespunde unei deplas ri de 140Hz. Exprimarea n ppm are avantajul c nu depinde de intensitatea c mpului.

3. Spectroscopia RMN bidimensionalLa excitarea cu un cmp de RF a macromoleculelor, interac iunile dintre protoni sunt multiple, deci spectrele ce se ob in sunt extrem de complexe, multe linii spectrale suprapunndu -se, a a c devine destul de dificil de extras informa ia. Acest lucru este nl turat prin spectroscopia bidimensional . Excitarea se face n secvente. ntr -o prim etap , proba este iradiat cu un semnal de RF care va excita toate nucleele. Fiecare ns va avea o precesie cu o frecven ce depinde de cmpul local, deci de Larmour, se aplic un al doilea interac iunile la care ia parte. Dup un timp t1 variabil n trepte, cnd spinii vor fi defaza i n func ie de propria frecven semnal de RF, care va avea, evident, efecte diferite asupra fiec rui spin. Dup un timp t2, timpul de achizi ie, se nregistreaz r spunsul. Opera ia se repet pentru diferite valori ale lui t 1, a teptndu-se, de fiecare dat , revenirea n starea de repaus. Prin analiza Fourier a r spunsurilor nregistrate, s(t 1,t2), se ob ine spectrul bidimensional, func ie de dou varia bile de frecven ,1

i

2,

corespunz toare timpilor t 1 si t2. Spectrul va cuprinde o de dagonal . Acestea indic interac iunileb)

serie de vrfuri aflate pe diagonal , reprezent nd spectrul unidimensional, dar i alte vrfuri, a ezate simetric fa coordonate ( b, rezonan biologice.a a)

dintre protoni: un vrf avnd coordonatele ( a, i unul cu frecven ab.

i simetricul lui de de

indic interac iunea dintre un nucleu cu frecven

Spectroscopia RMN bidimensional e

foarte util pentru determinarea structurii proteinelor i a altor macromolecule

4. Relaxarea spinilorDac peste cmpul magnetic uniform B 0, care a orientat spinii pe direc ia lui se suprapune un al doilea cmp, c mpul de excitare ( ), variabil cu frecven a Larmour i orientat perpend icular pe primul, spinii vor ie i din starea de echilibru. Ei se vor orienta pe direc ia c mpului de excitare, deci normal la

direc ia cmpului B 0. Magnetizarea pe direc ia lui B 0, pe care o vom nota cu va deveni nul , iar cea pe direc ia cmpului excita tor ( ), notatx,

va fi

maxim . La ntreruperea cmpului , spinii vor revenii, dup un anumit timp, la starea de echilibru, efectund o mi care de precesie cu frecven a Larmour. Varia ia cmpului magnetic rezultat poate fi m surat prin t.e.m. indus exponen ial ), cu frecven aL.

ntr-

o bobin . Semnalul nregistrat e un semnal sinusoidal atenuat (dup o lege Constanta de timp de atenuare se nume te timp de relaxare. Amplitudinea semnalului scade datorit ced rii energiei moleculelor nconjur toare. Ti mpul de relaxare nregistrat pe direc ia longitudinal (z = direc ia c mpului B0) se nume te timp de relaxare longitudinal sau timp de relaxare spin -re ea, re eaua desemnnd ansamblul moleculelor c rora le cedeaz energie. Timpul de relaxare nregistrat ntr-un plan perpendicular pe B 0 se nume te timp de relaxare transversal sau timp de relaxare spin -spin. T2 este mai scurt dect T1. Explica ia este urm toarea: n momentul ntreruperii cmpului excitator, toate nucleele au aceea i orientare, deci oscileaz n faz (semnalele sunt coerente). Pe m sura relax rii, are loc un schimb de energie ntre nuclee (de aici denum irea de timp de relaxare spinspin) ceea ce face s se piard coeren a, deci rezultanta se va anula naintea revenirii pe direc ia lui B0. n tabelul de mai jos sunt da i timpii de relaxare pentru unele esuturi. T1 s-a indicat prin dou valori ale c mpului magnetic, deoarece depinde de acesta.

Timpii de relaxare ai unor esuturiesutul T 2 (ms) T1 (ms) (B=0,5T) T1 (ms) (B=1,5T)

Adipos Ficat Mu chi Materie alb Materie cenu ie

80 42 45 90 100

210 350 550 500 650

260 500 870 780 920

La pierderea coeren ei contribuie esen ial i neomogenit ile cmpului magnetic extern (al magnetului) i susceptibilitatea magnetic diferit a esuturilor. Deci, de fapt, constanta de timp nregistrat va fi determinat de aceste neomogenit i, mascnd constanta de timp caracteristic probei. Se define te o constant de timp T2* dat de neomogenit ile cmpului. ntre aceste constante de timp exist rela ia: T2*