Spectroscopia cu Rezonanta Magnetica Nucleara

Rezumat

Rezonanța magnetică nucleară (RMN) este o tehnică spectroscopică nucleară des folosită în chimie, chimie fizică, medicină nucleară, biofizică și inginerie nucleară pentru determinarea structurii diverșilor compuși chimici, în biochimie pentru determinarea structurii proteinelor fiind singura tehnică destinată determinării structurii proteinelor în soluție (condiții mult mai apropiate de cele native) sau în imagini diagnostice medicale sau radiologice pentru determinarea caracteristicilor fizico-anatomice a unor organe sau țesuturi.

Cuprins

1. Introducere…………………………………………………………………………………. 4

2. Istoric…………………………………………………………………………………………. 5

3. Caracteristici………………………………………………………………………………. 6

4. Mod de functionare…………………………………………………………………….. 7

5. Avantaje si dezavantaje………………………………………………………………. 9

6. Concluzii……………………………………………………………………………………. 10

1. Introducere

Rezonanța magnetică nucleară, titulatură înlocuită în ultimii ani cu cea de imagistică prin rezonanță magnetică, din cauza conotației negative a cuvântului "nuclear" (procedura nu implică folosirea de substanțe radioactive), este o procedură de a obține imagini ale diferitelor părți ale organismului fără utilizarea razelor X, așa cum se întâmplă în cazul radiografiei tradiționale și a tomografiei computerizate. Un scaner RMN constă, în mare, dintr-un magnet de mari dimensiuni în interiorul căruia este așezat pacientul. O antenă radio este folosită pentru a transmite semnale spre organism, dar și pentru a recepționa ceea ce se întoarce dinspre corpul pacientului. Aceste semnale recepționate sunt transformate în imagini de către un calculator atașat scanerului. Pot fi obținute imagini din aproape orice zonă a organismului, sub orice unghi. Semnalele radio folosite sunt, în fapt, câmpuri magnetice variabile mult mai slabe decât câmpul static foarte puternic generat de magnetul scanerului.

Motivația de a cerceta această temă are în vedere mai multe aspecte.Majoritatea oamenilor nu sunt familiarizati cu acest aparat,nu cunosc modul lui de functionare si daca este mai sigur decat alte tipuri.

Proiectul are ca obiective: istoricul si aparitia,functionarea,principiile de baza ,caracteristici,avantaje si dezavantaje.

2. Istoric

Principiile de bază din spatele rezonanței magnetice nucleare (RMN) pornesc din cercetarea timpurie în fizica particulelor. Cincizeci de ani mai târziu, tot fizica particulelor a jucat un rol important în transpunerea aparatelor de rezonanță magnetică nucleară (RMN) pe piața comercială.

În 1937, Isidor Isaac Rabi a observat că atomii de hidrogen răspund unui câmp magnetic puternic , prin indicarea aceleiași direcții, ca acele unei busole. Mai târziu, oamenii de știință au descoperit că acel câmp acționa asupra nucleelor atomilor, care sunt încărcate pozitiv. Când un al doilea câmp magnetic , oscilând la frecvența potrivită, lovește atomii, unele nuclee de hidrogen primesc un impuls de energie și fac o rotație de 90 de grade. Când cel de-al doilea câmp magnetic este înlăturat, nucleele se întorc la poziția inițială. Această realiniere are loc diferit de la material la material, oferind oamenilor de știință o cale de a le deosebi unele de altele (astfel pot să deosebească mușchii de organe).

  În 1946, Edward Purcell și Felix Bloch au determinat faptul că intensitatea primului câmp magnetic și frecvența celui de-al doilea sunt legate de un fenomen numit de ei rezonanță magnetică nucleară sau RMN. Curând RMN-ul avea să fie folosit pentru a analiza natura chimică a lichidelor și solidelor. Datorită faptului că 55-60% din corpul uman este apă, iar fiecare moleculă de apă conține doi atomi de hidrogen, tehnica ar fi ideală pentru studierea țesutului viu.

În 1973, Paul Lauterbur a descoperit faptul că adăugând variație câmpului magnetic mare, se putea identifica poziția exactă a unor atomi de hidrogen individuali, dintr-o mostră. Paul Lauterbur a folosit această informație suplimentară pentru a realiza prima imagine de rezonanță magnetică nucleară. Rabi, Purcell, Block și Lauterbur au primit Premii Nobel în fizică pentru contribuțiile lor la dezvoltarea acestei tehnici imagistice.

În România, acad. Ioan Ursu a dezvoltat o puternică școală de spectroscopie magnetică care se manifestă acum în toate centrele universitare și de cercetare din țară.

3. Caracteristici

Trebuie specificat faptul că în RMN experimentele se realizează pe nucleele atomilor și nu pe electronii acestora, deci informația furnizată se referă la poziționarea spațială a acestor nuclee în compusul chimic studiat. Aceste nuclee au o proprietate intrinsecă numită spin, dar pentru a explica fenomenologia care se ascunde în spatele acestei tehnici trebuie ținut cont de următoarele considerente fizice:

Orice sarcină electrică în mișcare generează în jurul său un câmp magnetic. Același lucru se întâmplă și în cazul nucleelor (sarcini electrice pozitive) când, datorită rotației în jurul propriilor axe, se generează un câmp magnetic caracterizat printr-un moment magnetic μ, proporțional și de sens opus cu spinul nucleului I. În RMN nucleele de interes sunt acele nuclee care au valoarea I=1/2 (1H, 13C, 15N, 19F, 31P).

Dacă se așează un nucleu atomic într-un câmp magnetic extern Bo, atunci vectorul moment magnetic va putea fi paralel (I=+1/2) sau antiparalel (I=-1/2) cu direcția acestui câmp. Trebuie specificat faptul că energia sistemului antiparalel este mai mare decât energia sistemului paralel, iar această diferență este direct proporțională cu valoarea câmpului Bo (ΔE=μB/I).

Dacă se iradiază nucleul cu un câmp de radiofrecvențe RF pe o direcție transversală câmpului constant Bo, acest câmp transportând o energie egală cu ΔE, atunci nucleul (spinul) se va excita trecând din starea de energie +1/2 în starea de energie –1/2 caracterizată prin energie mai mare.

Deoarece în condiții naturale orice sistem fizic tinde spre o stare de energie cât mai mică, acest nucleu se va relaxa revenind la starea +1/2 și emițând un alt câmp de radiofrecvențe din ai cărui parametri (frecvență) se obțin informații despre natura nucleului (poziția în moleculă, respectiv tipul).

4. Mod de functionare

Imagistica prin rezonanță magnetică (mai cunoscută sub numele de RMN – rezonanța magnetică nucleară) este una dintre cele mai noi tehnologii imagistice disponibile în spitale pentru diagnoză. RMN-ul reprezintă o tehnică tomografică (în sensul că sunt analizate secțiuni ale corpului uman) care are la bază fenomenul rezonanței magnetice nucleare. Din punct de vedere tehnic vorbim despre o tehnică destul de complexă, dar a cărei prezentare pe înțelesul tuturor este posibilă, totuși, într-o oarecare măsură.

Nu sunt folosite raze X, așa cum este cazul cu radiografia tradițională ori cu tomografia computerizată, în acest caz pacientul fiind plasat în interiorul unui câmp magnetic foarte puternic (în jur de 30000 de ori mai puternic decât câmpul magnetic al Pământului). Nucleele atomilor de hidrogen (protoni) sunt caracterizate de o proprietate specială cunoscută sub numele de spin. Asta înseamnă că anumite proprietăți ale protonilor sunt similare celor ale unor minusculi magneți bară, care într-un câmp magnetic static au doar două orientări posibile; fie aliniate(Fig. 2), fie opuse câmpului magnetic(Fig. 1). Sunt mai numeroși protonii care se aliniază cu câmpul magnetic, deoarece pentru acest lucru este nevoie de o cantitate mai mică de energie. Astfel că, în interiorul corpului pacientului, magnetizarea netă la nivelul țesuturilor este caracterizată de o aliniere paralelă cu câmpul magnetic aplicat.

Fig. 1 Fig. 2

Depășirea acestei stări a protonilor poate fi realizată prin aplicarea unui câmp electromagnetic în spectrul radio, în mod obișnuit în regiunea 20 la 100 de MHz în cazul celor mai multe scanere RMN. Frecvența necesară, cunoscută sub numele de frecvență de rezonanță ori frecvență Larmor, variază liniar cu intensitatea câmpului magnetic static aplicat. Câmpul electromagnetic este aplicat sub forma unui foarte scurt puls radio, cu o durată de câteva microsecunde. Semnalul detectat de scaner reprezintă componenta vectorului câmpului magnetic net rezultat la nivelul diferitelor țesuturi perpendiculară pe câmpul magnetic aplicat.

Semnalele sunt detectate folosind dispozitive speciale (un soi de bobine, ori antene), de anumite forme, de pildă pentru cap, genunchi, etc. Faptul că aceste dispozitive pot fi montate în imediata vecinătate a zonei investigate contribuie la calitatea imaginilor obținute.

5. Avantaje si dezavantaje

Avantajele imagisticii prin rezonanță magnetică sunt: o rezoluție spațială excelentă a imaginilor, o diferențiere excelentă între diferitele tipuri de țesuturi (de pildă, materia cenușie poate fi deosebită de materia albă la nivelul creierului), absența radiației ionizante, posibilitatea de a obține imagini de-a lungul unor secțiuni orientate în orice plan. Printre dezavantaje se numără costul ridicat al echipamentelor și cel aferent întreținerii acestora, viteza mică de desfășurare a procedurilor de scanare, dar și faptul că anumite categorii de pacienți (de exemplu cei care au montat un pacemaker) nu sunt eligibili pentru acest tip de investigație.

6. Concluzii

RMN-ul nu este o procedură 100% sigură, deși nu implică utilizarea de radiație ionizantă. Câmpurile magnetice puternice și pulsurile de radiofrecvență pot afecta buna funcționare a pacemaker-elor sau pot încălzi anumite implanturi metalice. Un alt pericol major constă în așa-numitul "efect proiectil". Materialele feromagnetice sunt supuse unor forțe puternice în interiorul câmpului magnetic static, astfel că obiecte precum legăturile de chei pot deveni arme mortale. Puterea câmpului magnetic și a radiației electromagnetice sunt mult sub nivelurile dăunătoare. Totuși, ca o precauție, în mod normal nu se efectuează scanări RMN pe perioada sarcinii.

Bibliografie

www.wikipedia.org

www.scientia.ro/tehnologie/39-cum-functioneaza-lucrurile