ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР) — избирательное поглощение веществом электромагнитного излучения, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер, находящихся в постоянном магнитном поле. На явлении ЯМР основан метод изучения структуры и молекулярного движения в различных веществах, в том числе в биологических объектах. С помощью ЯМР, в частности, возможно изучение строения различных органов, распределения различных веществ непосредственно в организме.

Явление ядерного магнитного резонанса основано на том, что ядра атомов большинства химических элементов (за исключением ядер с четным числом протонов и нейтронов) обладают так называемым спином, то есть моментом количества движения и обусловленным им постоянным магнитным моментом (см.Атом,Молекула). При помещении в постоянное магнитное поле магнитный момент системы ядер подобно вращающемуся волчку, выведенному из вертикального положения, движется по поверхности конуса вращения вокруг оси направления поля (прецессионное движение) с частотой

? = ? • H0,

где ? — константа для каждого вида ядер, а H00 — напряженность постоянного магнитного поля. Воздействие внешнего переменного электромагнитного излучения с данной частотой на ядра, находящиеся в постоянном магнитном поле, приводит к избирательному (резонансному) поглощению энергии электромагнитного излучения и появлению сигнала ЯМР (см.Электромагнитное излучение,Резонансные явления). Разным ядрам соответствуют различные частоты резонанса, находящиеся в пределах от единиц до сотен мегагерц в магнитных полях напряженностью порядка 1 — 10 тл. Эта область частот относится к радиочастотному диапазону электромагнитных волн, поэтому ЯМР является одним из методов радиоспектроскопии (см.Излучения,Электронный парамагнитный резонанс). Для изучения биол. систем обычно используют ЯМР ядер водорода — протонов ХН (протонный магнитный 2 резонанс) и дейтерия11H, углерода С, натрия, фосфора и других ядер.

Применение ЯМР для структурных исследований основано на том, что помимо внешнего магнитного ноля на ядро в веществе действуют различные внутренние поля. Они приводят к сдвигу частоты резонанса, расщеплению на несколько или множество резонансных линий, то есть к образованию спектра ЯМР, к изменению формы линий, времени релаксации (см.Релаксационные явления). Изучение спектров ЯМР позволяет сделать вывод о химической и пространственной структуре различных веществ без проведения химического анализа.

Аппаратура для регистрации спектров ЯМР включает магнит, создающий поле напряженностью до 10 тл и более, генератор радиочастотных колебаний, приемник, в катушку которого помещается исследуемый объект, и регистрирующее устройство. Запись спектров проводят либо при изменении величины магнитного поля и последовательном создании резонансных условий для разных линий в спектре ЯМР, либо путем возбуждения резонанса сразу во всей полосе спектра с помощью мощного радиочастотного импульса, что резко сокращает время измерений. Исходный спектр ЯМР затем получают по специальной программе с помощью ЭВМ.

Рис. Спектры ядерного магнитного резонанса новорожденного с опухолью левого полушария головного мозга (по фосфору31P): по оси абсцисс отложены миллионные доли (м.д.) от величины приложенного постоянного магнитного поля, по оси ординат — значения амплитуды сигнала в условных единицах (усл.ед.). Отдельные пики соответствуют уровням концентрации фосфорных групп молекул аденозинтрифосфорной кислоты (АТФ) и креатинфосфата (КФ). В левом полушарии (б) в отличие от правого (а) резко снижена концентрация АТФ и КФ.

В медико-биологических исследованиях метод ЯМР используют для установления структуры биологически активных веществ и изучения механизмов их действия. По спектрам ЯМР определяют особенности структуры биополимеров в водной среде и ее изменения при взаимодействии с субстратом и биологически важными веществами. Спектры ЯМР применяют для анализа липидного состава мембран, их фазового состояния, взаимодействия липидов с белками и другими веществами, для определения положения в мембранах различных соединений, проницаемости мембран, состояния ионов в клетках, для определения продуктов биохимических реакций и т. д. С помощью метода ЯМР стало возможным измерять количество АТФ и других макроэртических соединений и их изменение непосредственно в организме (рис. а, б). Важной особенностью метода ЯМР, особенно для биологии и медицины, является низкая энергия используемых в ЯМР излучений, что существенно снижает их вредное воздействие на организм. Картину пространственного распределения отдельных видов молекул в организме получают методом ЯМР-интроскопии (ЯМР-томографии). В его основе лежит создание с помощью последовательно приложенных градиентов магнитного поля по различным направлениям такого распределения магнитного поля, чтобы в данный момент различным элементам объема в пределах изучаемого сечения соответствовали свои, определенные для их местоположения частоты резонанса. Изменение градиентов во времени и обработка результатов измерений с помощью ЭВМ позволяют получить пространственную картину распределения молекул, содержащих, напр., атомы водорода или фосфора (при наблюдении магнитного резонанса от протонов или ядер фосфора) в пределах изучаемого сечения.

Рис. 16— 19. ЯМР-томограммы головы в норме и при опухолях головного мозга различной локализации; Рис. 16. ЯМР-томограмма головы (фронтальный срез) на уровне переднего отдела турецкого седла в норме: 1— большие полушария головного мозга; 2— боковые желудочки; 3— продольная борозда. Рис. 17. ЯМР-томограмма головы (фронтальный срез) на уровне мозжечка и затылочных долей головного мозга при опухоли: видна массивная опухоль левого полушария, центральная часть которой, соответствующая области желудочка головного мозга, более повышенной плотности. Рис. 18— 19. Цветные ЯМР-томограммы получены путем обработки черно-белых оригиналов. Шкала цветов каждой ЯМР-томограммы — произвольна. Рис. 18. Цветная ЯМР-томограмма головы (аксиальный срез) на уровне основания головного мозга при краниофарингиоме: на фоне нормальной ткани головного мозга зеленого и белого цвета в центре видна опухоль ярко-желтого цвета и расширенные рога боковых желудочков головного мозга синего цвета. Рис. 19. Цветная ЯМР-томограмма головы (аксиальный срез) на уровне боковых желудочков головного мозга при опухоли, распространяющейся в правый боковой желудочек, который растянут и деформирован; видно смещение продольной борозды; ткани головного мозга и опухоли — желтого цвета, боковые желудочки — синего цвета.

При регистрации ЯМР-изображения амплитуда резонанса в каждом элементе объема может быть выражена через интенсивность освещения или в цветовой шкале. Так, кровеносные сосуды в ЯМР-изображении выглядят темными вследствие оттока крови из исследуемого объема за время измерения. Для магнитных моментов ядер в различных элементах объема может быть измерено время релаксации, в частности по уменьшению амплитуды резонанса, не успевающей полностью восстановиться при достаточно большой частоте следования импульсов. Это увеличивает контрастность в изображении различных тканей, что используют, например, для различения изображения серого вещества мозга от белого или опухолевых клеток от здоровых. Достоинством метода ЯМР-интроскопии является его высокая чувствительность в изображении мягких тканей (см. цветн. рис. 16—19), а также высокая разрешающая способность, вплоть до долей миллиметра. В отличие от рентгеновской томографии (см.) ЯМР-интроскопия позволяет получить изображения исследуемого объекта в любом сечении. На этой основе могут быть реконструированы объемные изображения отдельных органов. Получение изображения с помощью ЯМР-интроскопии может быть синхронизировано с определенными циклами физиологических процессов (например, с циклами работы сердца, зубцами ЭКГ и т. д.).

Библиогр: Ацаркин А. В. и др. ЯМР-интроскопия, У сп. физич. наук т. 135, в. 2, с. 285, 1981, библиогр.;Гюнтер X. Введение в курс спектроскопии ЯМР, пер. с англ., М., 1984, библиогр.; Ц ы б А. Ф. и др. Медицинская ЯМР — спектро- и интроскопия, достижения и перспективы, Мед. радиол т. 28, № 6, с. 86, 1983; Эмсли Д ж.,’ Финей Д ж. и Сатклиф JI. Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., т. 1 — 2, М., 1968—1969; Casy A. F. PMR spectroscopy in medicinal and biological chemistry, L.—N. Y., 1971; G a d i-a n D. G. Whole organ metabolism studied by NMR, Ann. Rev. Biophys. Bioeng. v. 12, p. 69, 1983, bibliogr.; Klaus R.’ NMR-Tomographie und-Spektroskopie in der Medizin, B. u. a., 1984; Mans field P. a. Morris P. G. NMR imaging in biomedicine, N. Y.— L., 1982* NMR in biology, ed. by R. A. Dwek a. o’ L. a. o., 1977.

^

Источник: Большая Медицинская Энциклопедия (БМЭ), под редакцией Петровского Б.В., 3-е изданиематрица судьбы разбор