Branduolinis magnetinis rezonansas (BMR) yra saugiausias diagnostikos metodas

ačiū

Bendra informacija

Taikymas ekonomikoje ir moksle

Metodo esmė

Jei staiga pakeisite lauko kryptį, vandens molekulė išskiria dalelę elektros. Būtent šiuos įkrovimus aptinka įrenginio jutikliai ir analizuoja kompiuteris. Pagal vandens koncentracijos ląstelėse intensyvumą kompiuteris sukuria tiriamo organo ar kūno dalies modelį.

Prie išėjimo gydytojas turi nespalvotą vaizdą, kuriame galite labai detaliai matyti plonas organo dalis. Pagal informacijos turinio laipsnį šis metodasžymiai viršija kompiuterinę tomografiją. Kartais apie tiriamą organą pateikiama net daugiau informacijos, nei reikia diagnozei nustatyti.

Magnetinio rezonanso spektroskopijos tipai

• Biologiniai skysčiai,
• Vidaus organai.

Magnetinio rezonanso perfuzijos technika leidžia stebėti kraujo judėjimą per kepenų ir smegenų audinius.

Šiandien medicinoje šis pavadinimas yra plačiai naudojamas MRT (magnetinio rezonanso tomografija ), nuo paminėjimo branduolinė reakcija vardu gąsdina pacientus.

Indikacijos

Kontraindikacijos

Santykinės kontraindikacijos:
1. Nervų sistemos stimuliatoriai,
2. insulino pompos,
3. Kiti vidinės ausies protezų tipai,
4. Širdies vožtuvų protezavimas,
5. Hemostatiniai spaustukai ant kitų organų,
6. Nėštumas ( būtina gauti ginekologo išvadą),
7. Širdies nepakankamumas dekompensacijos stadijoje,
8. Klaustrofobija ( uždarų erdvių baimė).

Pasiruošimas studijoms

Kaip atliekamas tyrimas?

Prietaisas yra platus vamzdelis, į kurį įdedamas pacientas horizontali padėtis. Pacientas turi likti visiškai ramus, kitaip vaizdas nebus pakankamai aiškus. Vamzdžio viduje nėra tamsu ir yra šviežia ventiliacija, todėl sąlygos procedūrai yra gana patogios. Kai kurios instaliacijos skleidžia pastebimą ūžesį, tada tiriamasis nešioja triukšmą sugeriančias ausines.

Tyrimo trukmė gali svyruoti nuo 15 minučių iki 60 minučių.
Kai kuriose medicinos centrai Patalpoje, kurioje atliekamas tyrimas, kartu su pacientu leidžiama būti giminaičiui ar jį lydinčiam asmeniui ( jei jis neturi kontraindikacijų).

Kai kuriuose medicinos centruose anesteziologas skiria raminamuosius vaistus. Tokiu atveju procedūra yra daug lengviau toleruojama, ypač klaustrofobijos sergantiems pacientams, mažiems vaikams ar pacientams, kuriems dėl kokių nors priežasčių sunku išlikti ramiai. Pacientas patenka į terapinio miego būseną ir iš jo išeina pailsėjęs bei pagyvėjęs. Vartojami vaistai greitai pasišalina iš organizmo ir yra saugūs pacientui.

Tyrimo rezultatas paruošiamas per 30 minučių po procedūros pabaigos. Rezultatas išduodamas DVD, gydytojo išvados ir nuotraukų pavidalu.

Kontrastinės medžiagos naudojimas BMR

Kontraindikacijos naudoti kontrastines medžiagas:

• Nėštumas,
• Individualus netoleravimas kontrastinės medžiagos komponentams, anksčiau nustatytas.

Kraujagyslių tyrimas (magnetinio rezonanso angiografija)

Indikacijos:

• Įgimtos širdies ydos,
• Aneurizma, disekacija,
• kraujagyslių stenozė,

Smegenų tyrimas

• pagrindinės kaklo kraujagyslės,
• kraujagyslės, aprūpinančios smegenis
• smegenų audinys,
• akiduobių orbitos,
• gilesnėse smegenų dalyse ( smegenėlės, kankorėžinė liauka, hipofizė, pailgos ir tarpinės dalys).

Funkcinis BMR

Stuburo tyrimas

Galite ištirti visą stuburą arba galite ištirti tik susirūpinimą keliančią sritį: gimdos kaklelio, krūtinės ląstos, juosmens-kryžmens, taip pat uodegikaulio atskirai. Taigi, tiriant kaklo stuburą, galima nustatyti kraujagyslių ir slankstelių patologijas, kurios turi įtakos smegenų aprūpinimui krauju.
Tiriant juosmens sritį, galima aptikti tarpslankstelines išvaržas, kaulų ir kremzlių spyglius, užspaustus nervus.

Indikacijos:

• Tarpslankstelinių diskų formos pokyčiai, įskaitant išvaržas,
• Nugaros ir stuburo traumos
• Osteochondrozė, distrofiniai ir uždegiminiai procesai kauluose,
• Neoplazmos.

Nugaros smegenų tyrimas

Indikacijos:

• Nugaros smegenų neoplazmų, židininių pažeidimų tikimybė,
• Norėdami kontroliuoti nugaros smegenų ertmių užpildymą smegenų skysčiu,
• Nugaros smegenų cistos,
• Norėdami stebėti atsigavimą po operacijos,
• Jei yra nugaros smegenų ligų rizika.

Bendras tyrimas

Naudojama diagnostikai:

• Lėtinis artritas,
• Sausgyslių, raumenų ir raiščių pažeidimai ( ypač dažnai naudojamas sporto medicinoje),
• Perelomovas,
• minkštųjų audinių ir kaulų neoplazmos,
• Žala, nenustatyta kitais diagnostikos metodais.

• Klubo sąnarių tyrimas dėl osteomielito, šlaunikaulio galvos nekrozės, įtempių lūžių, septinio artrito,
• Kelio sąnarių apžiūra dėl stresinių lūžių, kai kurių vidinių komponentų vientisumo pažeidimo ( meniskas, kremzlės),
• Peties sąnario tyrimas dėl išnirimų, suspaustų nervų, sąnario kapsulės plyšimo,
• Riešo sąnario apžiūra nestabilumo, daugybinių lūžių, vidurinio nervo įstrigimo ir raiščių pažeidimo atvejais.

Smilkininio apatinio žandikaulio sąnario tyrimas

Indikacijos:

• Sutrikęs apatinio žandikaulio mobilumas,
• Spragtelėjimo garsai atidarant ir uždarant burną,
• Skausmas šventykloje atidarant ir uždarant burną,
• Skausmas palpuojant kramtymo raumenis,
• Skausmas kaklo ir galvos raumenyse.

Pilvo ertmės vidaus organų tyrimas

• neinfekcinė gelta,
• Kepenų neoplazmos, degeneracijos, absceso, cistų, su ciroze, tikimybė,
• Norėdami stebėti gydymo eigą,
• Dėl trauminių plyšimų,
• Akmenys tulžies pūslėje arba tulžies latakai,
• bet kokios formos pankreatitas,
• Neoplazmų tikimybė,
• Parenchiminių organų išemija.

Inkstų tyrimas skiriamas, kai:

• Įtarimas dėl neoplazmos,
• Organų ir audinių, esančių šalia inkstų, ligos,
• Šlapimo organų formavimosi sutrikimo tikimybė,
• Jei neįmanoma atlikti ekskrecinės urografijos.

Reprodukcinės sistemos ligų tyrimai

• Gimdos, šlapimo pūslės, prostatos neoplazmos tikimybė,
• Traumos,
• dubens navikai metastazėms nustatyti,
• Skausmas kryžkaulio srityje,
• Vesikulitas,
• Ištirti limfmazgių būklę.

Nepatartina šlapintis likus valandai iki tyrimo, nes vaizdas bus informatyvesnis, jei šlapimo pūslė bus kiek pilna.

Studijuoti nėštumo metu

Atsargumo priemonės

2. Į patalpą, kurioje yra įrenginys, draudžiama patekti su metaliniais daiktais ir elektroniniais prietaisais ( pvz., laikrodžiai, papuošalai, raktai), nes galingame elektromagnetiniame lauke elektroniniai prietaisai gali sulūžti, o smulkūs metaliniai daiktai išskris. Tuo pačiu metu bus gauti ne visai teisingi apklausos duomenys.

ELEKTROMAGNETINIŲ RESONATORIŲ EVOLIUCIJA

Rezonatorius gali ilgą laiką išlaikyti periodinius svyravimus, kuriuos sukelia išorinis impulsas. Rezonatorius turi dažnio selektyvumą išorinės harmoninės įtakos atžvilgiu: jo svyravimų amplitudė yra didžiausia esant rezonansiniam dažniui ir mažėja didėjant atstumui nuo jo. Elektromagnetinių rezonatorių virpesiai reiškia abipusę elektrinio ir magnetinio laukų transformaciją. Rezonatoriai plačiai naudojami radijo inžinerijos įrenginiuose, kurie yra daugelio stiprintuvų, daugumos generatorių, imtuvų, dažnių filtrų ir dažnio matuoklių dalis.

Paprasčiausias elektromagnetinis rezonatorius yra svyruojanti LC grandinė. Lengva nustatyti, kad elektros energijos tiekimas sukuriamas induktoriuje lauką lydi erdvinis energijos judėjimas nuo kondensatoriaus iki induktyvumo. Grandinės matmenys turi būti maži, lyginant su bangos ilgio diapazonu, grandinė nustoja veikti patenkinamai: peruko talpa. Ritės, turi įtakos įėjimų ir kondensatoriaus plokščių induktyvumui.

Decimetro diapazone ir kt trumpos bangos(iš dalies ir skaitiklio diapazone) naudojami rezonatoriai, kuriuose riboto tūrio ribose kyla elektromagnetiniai virpesiai; Štai kodėl jie vadinami tūriniais.

Laipsniškas grandinės pavertimas ertmės rezonatoriumi parodytas Fig. 11.1. Tegul grandinė (11.1a pav.) skirta labai aukštam dažniui ir turi tik vieną apsisukimą. Lygiagrečiai įtraukus dar kelis apsisukimus (11.16 pav.), padidėja šios sistemos virpesių dažnis ir sumažėja kenksminga spinduliuotėį erdvę. Sujungus visus posūkius į ištisinį sukimosi paviršių (11.1 pav. c), gaunamas pilnai ekranuotas toroidinis rezonatorius su dar didesniu virpesių dažniu; Šis rezonatorius priklauso beveik stacionariųjų klasei.

Kvazistacionarieji rezonatoriai turi aiškiai apibrėžtas elektrinių ir magnetinių laukų egzistavimo sritis, kurios yra lygiavertės talpai ir induktyvumui; galime manyti, kad toks rezonatorius yra visiškai ekranuota virpesių grandinė. Kvazistacionaraus rezonatoriaus matmenys yra maži, palyginti su jo paties virpesių bangos ilgiu.

Perkeldami (kondensatoriaus) plokštes, rezonatoriaus ribą paverčiame išgaubtu paviršiumi, pavyzdžiui, sferiniu (11.1 pav. d). rezonatoriaus matmenys. Dabar visas rezonatoriaus tūris yra beveik vienodai užpildytas elektriniu ir magnetiniu nuliu, todėl galima išskirti atskirus plotus su talpos ir induktyvumo savybėmis kaip iš jo sienelių nuosekliai atsispindinčių dalinių bangų suma, jei rezonatoriaus viduje cirkuliuojanti banga visada patenka į tam tikrą tašką ir toks fazinis laukų papildymas žymiai padidina svyravimų amplitudę.

Kuriant optinį diapazoną, kuriame bangų ilgiai yra dideli, įvyko reikšmingų pokyčių mažesni dydžiai rezonatorius. Kartu teko atsisakyti uždarų tūrių su metalinėmis sienomis. Atviros ertmės rezonatoriai, generuojantys optines bangas, išlaiko tik dalį atspindinčios sienelės. Paprasčiausiu atveju tai yra dviejų priešingų veidrodžių sistema, pagaminta iš daugiasluoksnio dielektriko, kurie vienas kitam atspindi elektromagnetinę bangą.

NATŪRALIOS IR PRIVERTINĖS VIBRACIJAS

Natūralūs virpesiai, kaip žinoma iš virpesių grandinių teorijos, atsiranda rezonatoriuje veikiant išoriniam impulsui, kai į jį tiekiama dalis energijos. Pasibaigus steigimo procesui, jie enharmoniškai slopsta ir priklauso nuo laiko pagal įstatymą:

kur (Oc yra natūralusis cirkuliacinis virpesių dažnis, rezonatoriaus laiko konstanta, nuosavas rezonatoriaus kokybės koeficientas, kompleksinis natūralusis virpesių dažnis.

Ertmės rezonatorius turi visą eilę natūralių svyravimų, kurių kiekvienas atitinka tam tikrą lauko struktūrą ir tam tikras reikšmes elektromagnetinis impulsas sukuria sudėtingą svyravimą rezonatoriuje, susidedantį iš kelių (11.1) formos dažninių komponentų.

Priverstinius svyravimus sukelia (išorės periodinės įtakos, o energija į sistemą patenka kiekvieną periodą. Jei šių svyravimų dažnis sutampa su vienu iš virpesių sistemos rezonansinių dažnių, atsiranda rezonansas (lydi staigus virpesių amplitudės padidėjimas). Atsargos elektrinis ir magnetinis Rezonatoriaus rezonanso energijos per laikotarpį yra vidutiniškai vienodos, todėl energija visiškai pereina iš vienos (būsenos į kitą. Ryšio linija iš (išorinio šaltinio) perduoda į svyravimo sistema tik palyginus mažas kiekis energijos, reikalingos šilumos nuostoliams papildyti.

RESONATORIAUS PARAMETRAI PRIVERSTINIO OSCILIAVIMO REŽIMU

Rezonansinis dažnis arba tik nežymiai skiriasi nuo natūralaus dažnio Pavyzdžiui, šis skirtumas (yra mažesnis nei . Reikšmė nustatoma pagal rezonatoriaus geometrinius matmenis ir nagrinėjamo virpesio elektromagnetinio lauko struktūrą. Tiriant tam tikrą tipą. svyravimai, nepriklausomai nuo kitų, yra įmanoma tik santykinai siauroje juostoje šalia, jei kitų tipų virpesių rezonansiniai dažniai yra pakankamai nutolę nuo jaudinančio prietaiso arba nesusiję su juo.

Kokybės koeficientą galima nustatyti pagal energijos parametrus. (Grandinės teorijoje kur yra ritės induktyvumas, varža (nuostoliai). Padauginkite šios formulės skaitiklį ir vardiklį (iš

Rezonanso metu rezonatoriuje susikaupusi energija. Jis lygus dvigubai induktyvumo magnetinei energijai dėl to, kad vidutinis galios nuostolis rezonatoriuje per laikotarpį.

Vadinasi, vidinis rezonatoriaus kokybės koeficientas išreiškiamas kaip

y., lygus rezonatoriuje sukauptos energijos santykiui [rezonanso, anergijos praradimas (rezonatoriuje per vieną periodą) už yra universalesnis už pradinį ryšį energijos kiekiai, kuriuos lengva nustatyti bet kuriai sistemai.

Įėjimo varža esant rezonansui (arba laidumas matuojamas linijoje ties įėjimu į rezonatorių prieš ryšio įrenginį (11.2 pav.). Šią linijos atkarpą vadinsime atskaitos plokštuma. Pastovioje būsenoje energija suvartojama nuo generatorius lygus galios nuostoliams rezonatoriuje

Taigi varža yra rezonatoriaus nuostolių matas. Jo vertė priklauso nuo ryšio įrenginio konstrukcijos ir jo įtraukimo į tam tikrą rezonatorių vietos.

Rezonanso charakteristika - priklausomybė nuo rezonatoriaus įėjimo varžos dažnio arba įėjimo laidumo Priklausomai nuo sukabinimo elemento konstrukcijos įtraukimo vietos, taip pat nuo atskaitos plokštumos padėties ryšio linijoje pasirinkimo. , galima manyti, kad rezonatorius yra lygiavertis lygiagrečiai grandinei, arba lygiavertis serijinei grandinei virpesių grandinė. Atitinkamai, esant (lygiagretus rezonansas

1 puslapis

Elektromagnetiniai rezonatoriai pirmiausia susideda iš dielektrinės srities, apribotos laidžiomis sienelėmis.  

Elektromagnetiniai rezonatoriai gali būti įvairių formų. Ypač svarbi klasė yra rezonatoriai, kurie yra cilindriniai bangolaidžiai uždarais galais. Darysime prielaidą, kad galiniai paviršiai yra plokštumos, statmenos cilindro ašiai.  

Kokiu tikslu elektromagnetiniai rezonatoriai dažnai iš vidaus padengiami sidabru?  

IN bendras atvejis elektromagnetinių rezonatorių teorijoje ieškoma Maksvelo lygčių sprendimų arba antros eilės išvestinių lygčių esant reikalingoms ribinėms sąlygoms.  

Paaiškinkite, kodėl varinio elektromagnetinio rezonatoriaus derinimo ryškumą galima labai padidinti panardinant jį į skystą orą.  

MULTIMODE, skirtas skaitmeninis modeliavimas ašiesimetriniai ir išilgai vienalyčiai komplekso elektromagnetiniai rezonatoriai geometrine forma. Pakuotėje naudojami dvikvadratiniai izoparametriniai baigtiniai elementai leidžia pakankamai apytiksliai apytiksliai nustatyti lenktas ribų atkarpas ir su nedideliu tinklelio taškų skaičiumi gauti dažnio reikšmes, kurių tikslumas reikalingas praktikai. Suberdvės iteracijos metodas leidžia vienu metu rasti kelis pirmuosius natūraliuosius dažnius ir atitinkamas funkcijas, nereikalaujant a priori informacijos apie spektro pasiskirstymą. Metodas leidžia apskaičiuoti tiek paprastus, tiek kelis dažnius. Palyginimas sprendžiant identiškas problemas su kitais metodais tos pačios klasės kompiuteryje rodo, kad MULTIMODE reikalauja 1 - 2 eilėmis trumpesnio procesoriaus laiko, tuo pačiu pasiekiant tą patį tikslumą. Tai leidžia efektyviai apskaičiuoti sudėtingus rezonatorius, taip pat optimizuoti jų geometriją. Paketas aprūpintas savo grafika programinė įranga, kuri leidžia gauti grafinis vaizdavimas rezultatus. Šiuo metu MULTIMODE paketas yra įdiegtas JINR, IHEP, INP AS USSR, IM BAN ir naudojamas naujų greitintuvo įrenginių projektavimui.  

Sferinė spindulio a ertmė laidžioje terpėje gali tarnauti kaip elektromagnetinis rezonatorius.  

Klausimas perkeliamas į mums nepažįstamą atomo arba apskritai elektromagnetinio rezonatoriaus spinduliuotės mechanizmą.  

Klausimas perkeliamas į mums nepažįstamą atomo arba apskritai elektromagnetinio rezonatoriaus spinduliuotės mechanizmą. Spręsdamas energijos pasiskirstymo tarp rezonatorių problemą, Planckas pripažino, kad tam tikras rezonatorius, turintis duotas numeris svyravimai v, gali gauti tik visas hv energijos dalis. IN šiuolaikiniai laikai Planckas parodė, kad netgi galima apsiriboti prielaida, kad tik radiacija vyksta dalimis / iv, o absorbcija vyksta nuolat.  

Metodo teorija remiasi apibendrinta elektromagnetinio rezonatoriaus veikimo teorema: be nuostolių elektromagnetiniame rezonatoriuje suminė energija yra nekintama bet kokio adiabatinio pokyčio atžvilgiu, kuriame svyravimo periodas išlieka nepakitęs. Adiabatinis pokytis yra pokytis, kuris vyksta labai lėtai, palyginti su svyravimų periodu.  

Sovietų Sąjungos laidinio ryšio linijų telemetrijos sistemose plačiausiai naudojami kompensaciniai keitikliai su elektromagnetiniais rezonatoriais, valdomi (dažniu) nuolatine srove. Šią dažnio matavimo keitiklių, skirtų telematavimo sistemoms, gamybos kryptį SSRS pasiūlė ir išplėtojo prof.  

Yra ir kitas nustatymo būdas bangų funkcijos, remiantis šiuo reiškiniu. Jei į elektromagnetinį rezonatorių įvedamas mažas metalo grūdelis (rutulys), rezonansinis dažnis padidės, o rezonanso poslinkis bus proporcingas elektrinio lauko stiprumo kvadratui toje vietoje, kur yra grūdelis.  

Mikrobangų magnetinis laukas; M0 – pastovus įmagnetinimo komponentas; Nt ir Nz – skersiniai ir išilginiai išmagnetinimo faktoriai; Bet taip pat R0 yra vidiniai ir išoriniai magnetizuojantys laukai; DN ir AY yra atitinkamai ferito terpės ir mėginio statinės FMR kreivės pusė. (1) lygtis skiriasi nuo lygties, apibūdinančios elektromagnetinio rezonatoriaus virpesius dešiniosios pusės forma. Dešinioji vektoriaus M komponento lygties pusė viena ar kita skersine kryptimi, be mikrobangų lauko komponento šia kryptimi, apima ir skersinių lauko komponentų išvestinius.  

Nors mūsų aprašyta rezonansinė ertmė savo išvaizda labai skiriasi nuo įprastos rezonansinės grandinės, susidedančios iš ritės ir kondensatoriaus, abi rezonansinės sistemos yra glaudžiai tarpusavyje susijusios. Abu jie yra tos pačios šeimos nariai; Tai tik du kraštutiniai elektromagnetinių rezonatorių pavyzdžiai, tarp kurių galima įdėti daug tarpinių pakopų. Pradėkime, tarkime, lygiagrečiai su induktyvumu prijungdami kondensatorių ir suformuodami rezonansinę grandinę (1 pav.).  

Kvantinis elektromagnetinis rezonatorius

Kvantinis elektromagnetinis rezonatorius (QER) (Kvantinis elektromagnetinis rezonatorius) – uždaras topologinis objektas in trimatė erdvė, bendruoju atveju „ertmė“ laisva forma, kuris turi tam tikrą „paviršių“ ir tam tikrą „storį“. Priešingai nei klasikiniu atveju, nėra „elektromagnetinių bangų“ ir spinduliuotės nuostolių, tačiau yra „begaliniai“ fazinio poslinkio elektromagnetinio lauko svyravimai, atsirandantys dėl QER kvantinių savybių.

Fonas

Istoriškai susiklostė taip, kad fiziniai reaktyvieji dydžiai, tokie kaip talpa ir induktyvumas, praktiškai nebuvo svarstomi ne tik kvantinėje, bet net ir klasikinėje teorinėje elektrodinamikoje. Faktas yra tas, kad pastarosios nėra aiškiai įtrauktos į Maksvelo lygčių sistemą, dėl kurios visada buvo gauti elektromagnetiniai laukai, o jei kartais gautuose sprendimuose atsirastų matmenų koeficientai, kurie gali būti susieti su talpa ar induktyvumu, tada santykis su jais buvo tinkamas. Taip pat ne mažiau žinoma, kad „lauko požiūris“ sukelia „blogų begalybių“ atsiradimą, kurį sukelia judėjimas „ matematinis taškas"(su elektros krūviu) veikiant jėgos laukams. Visuotinai pripažinta kvantinė elektrodinamika neišvengė „blogųjų begalybių“, kuriose taip pat buvo sukurti galingi „blogų begalybių kompensavimo“ metodai.

Priešingai, taikomojoje fizikoje talpos ir induktyvumo sąvoka buvo plačiai pritaikyta pirmiausia elektrotechnikoje, o vėliau radijo elektronikoje. Pagrindinis reaktyviųjų parametrų panaudojimo taikomojoje fizikoje rezultatas šiandien yra plačiai paplitusios informacinės technologijos, kurios yra pagrįstos įvairių dažnių elektromagnetinių bangų generavimu, priėmimu ir perdavimu. Tuo pačiu metu trūksta tobulėjimo teoriniame lygmenyje fizinės sąvokos nes talpa ir induktyvumas šiandien jau tam tikru mastu tampa ribojančiu plėtros veiksniu informacinės technologijos apskritai, o ypač kvantinė kompiuterija. Pakanka prisiminti, kad klasikinio mechaninio osciliatoriaus kvantinis svarstymas buvo įgyvendintas kvantinės mechanikos kūrimo eroje (kaip viena iš jos iliustracijų praktinis pritaikymas), tuo tarpu kvantinis kontūro svarstymas teoriškai buvo suformuluotas tik XX amžiaus aštuntojo dešimtmečio pradžioje, o išsamus svarstymas prasidėjo tik 90-ųjų viduryje.

Pirmą kartą būtinybė išspręsti Šriodingerio lygtį kvantinei grandinei buvo iškelta Louisella (1973) monografijoje. Kadangi tuo metu nebuvo supratimo, kas yra kvantiniai reaktyvieji parametrai (ir iš tikrųjų praktiniais pavyzdžiais tada dar nebuvo), todėl šis metodas nebuvo plačiai taikomas. Teoriškai teisingą kvantinio pajėgumo įvedimą, kuris buvo pagrįstas būsenų tankiu, pirmą kartą pristatė Luria (1988), svarstydama kvantinį Holo efektą (QHE). Deja, kvantiniai induktyvumai, kurie taip pat išplaukė iš būsenų tankio, tuo metu nebuvo įvesti, todėl tada nebuvo visiškai atsižvelgta į kvantinį reaktyvųjį osciliatorių. Po metų Yakimaha (1989), aiškindama QHE (sveikasis skaičius ir trupmenos), svarstė kvantinių grandinių (tiksliau jų impedansų) nuoseklaus lygiagretaus sujungimo pavyzdį. Tačiau šis darbas nebuvo svarstomas fizinis subjektasį šiuos kvantinius reaktyvius parametrus taip pat nebuvo atsižvelgta ir kvantinė lygtis Schrödingeris reaktyviajam generatoriui. Yakimahi (1994) darbe, atliekant spektroskopinius MIS tranzistorių žemų dažnių (garso diapazono) tyrimus, pirmą kartą vienu metu buvo atsižvelgta į visus kvantinius reaktyvius parametrus. Plokščiosios kvantinės talpos ir induktyvumo čia storis buvo lygus elektrono Komptono bangos ilgiui, o būdingoji varža buvo lygi vakuumo banginei varžai. Po trejų metų Devoret (1997) pristatė pilna teorija kvantinis reaktyvusis osciliatorius (atsižvelgiant į Josephsono efektą). Kvantinių reaktyviųjų parametrų taikymas kvantiniame skaičiavime aprašytas Devorette (2004).

Klasikinis elektromagnetinis rezonatorius

Bendru atveju klasikinis elektromagnetinis rezonatorius (CLER) yra ertmė 3D erdvėje. Todėl CLER turi begalinį rezonansinių dažnių skaičių dėl erdvės trimačio. Pavyzdžiui, stačiakampis CLER turi šiuos rezonansinius dažnius:

Kur; atitinkamai plotis, storis ir ilgis, dielektrinė konstanta, santykinis pralaidumas, magnetinė konstanta, santykinis jautrumas. Priešingai nei klasikinėje LC grandinėje, KLER elektrinis ir magnetinis laukai yra patalpinti tame pačiame erdvės tūryje. Šie svyruojantys elektromagnetiniai laukai klasikiniu atveju formuojasi elektromagnetines bangas, kuris gali būti išmetamas išorinis pasaulis už rezonatoriaus ribų. Šiandien CLER plačiai naudojami radijo dažnių bangų ilgių diapazone (centimetrais ir decimetrais). Be to, CLER taip pat naudojamas kvantinėje elektronikoje, kuri nagrinėja monochromines šviesos bangas.

Kvantinis požiūris

Kvantinė LC grandinė

IN klasikinė fizika turime tokius korespondencijos ryšius tarp mechaninis Ir elektrodinaminis fiziniai parametrai:

magnetinis induktyvumas ir mechaninis masė:

elektrinis talpa ir atvirkščiai elastingumas:

elektros krūvis ir koordinačių poslinkis:

Kvantinio impulso operatorius in įkrovimo vieta gali būti pavaizduotas tokia forma:

kur yra sumažinta Planko konstanta, yra kompleksinio konjuguoto impulso operatorius. Hamiltono operatorius įkrovimo vieta gali būti pavaizduotas kaip:

kur yra kompleksinio konjuguoto krūvio operatorius ir rezonansinis dažnis. Panagrinėkime atvejį be energijos išsklaidymo (). Vienintelis skirtumas tarp įkrovimo vieta o tradicinė 3D koordinačių erdvė slypi jos vienmatėje (1D). Kvantinės LC grandinės Schrödingerio lygtis gali būti apibrėžta taip:

Norint išspręsti šią lygtį, būtina įvesti šiuos bedimensius kintamuosius:

Kur didelio masto „mokestis“. Tada Schrödingerio lygtis įgauna formą diferencialinė lygtis Chebysheva-Ermita:

Hamiltono operatoriaus savosios reikšmės bus:

kur mes turėsime nuliniai svyravimai:

Apskritai masto mokestis galima perrašyti į formą:

kur yra smulkiosios struktūros konstanta. Tai akivaizdu masto mokestis skiriasi nuo „metalurginio“ elektrono krūvio. Be to, jo kvantavimas turės tokią formą:

Rezonatorius kaip kvantinė LC grandinė

Lurijos tankio metodas energetinės būsenos(PES), pateikia tokį kvantinės talpos apibrėžimą:

ir kvantinis induktyvumas:

kur yra rezonatoriaus paviršiaus plotas ir PES dvimatėje erdvėje (2D), elektros krūvis(arba srautas) ir magnetinis krūvis(arba srautas). Pažymėtina, kad šie srautai bus apibrėžti vėliau naudojant papildomas sąlygas.

Kvantinėje talpoje sukaupta energija:

Energija, sukaupta ant kvantinio induktyvumo:

Rezonatoriaus kampinis dažnis:

Energijos tvermės dėsnis:

Šią lygtį galima perrašyti taip:

iš kurių aišku, kad šie „mokesčiai“ iš tikrųjų yra „lauko srautai“, o ne „metalurginiai užtaisai“.

Būdinga rezonatoriaus varža:

kur yra magnetinio srauto kvantas.

Iš aukščiau pateiktų lygčių galime rasti tokias elektrinio ir magnetinio lauko srautų reikšmes:

Būtina dar kartą priminti, kad šios vertės yra ne „metalurginiai krūviai“, o didžiausios lauko srautų amplitudės vertės, palaikančios energijos balansą tarp rezonatoriaus ir rezonatoriaus virpesių energijos. pilna energija dėl talpos ir induktyvumo.

Branduolinis magnetinis rezonansas (BMR) yra branduolio spektroskopija, plačiai naudojama visose fiziniai mokslai ir pramonė. BMR už tiria atomo branduolių vidines sukimosi savybes naudojamas didelis magnetas. Kaip ir bet kuri spektroskopija, ji naudoja elektromagnetinę spinduliuotę, kad sukurtų perėjimą tarp energijos lygių (rezonanso). radijo dažnių bangos VHF diapazone). Chemijoje BMR padeda nustatyti mažų molekulių struktūrą. Branduolinis magnetinis rezonansas medicinoje buvo pritaikytas magnetinio rezonanso tomografijoje (MRT).

Atidarymas

BMR mokslininkai atrado 1946 m Harvardo universitetas Purcell, Pound ir Torrey bei Bloch, Hansen ir Packard iš Stanfordo. Jie pastebėjo, kad 1 H ir 31 P branduoliai (protonas ir fosforas-31) gali sugerti radijo dažnio energiją, kai juos veikia magnetinis laukas, kurio stiprumas būdingas kiekvienam atomui. Sugerti jie pradėjo rezonuoti, kiekvienas elementas savo dažniu. Šis stebėjimas leido mums tai padaryti išsamią analizę molekulinė struktūra. Nuo tada BMR buvo pritaikytas kietųjų medžiagų, skysčių ir dujų kinetiniams ir struktūriniams tyrimams, dėl kurių buvo paskirtos 6 Nobelio premijos.

Sukimosi ir magnetinės savybės

Šerdis susideda iš elementariosios dalelės vadinami neutronais ir protonais. Jie turi savo kampinį impulsą, vadinamą sukimu. Kaip ir elektronų, branduolio sukimąsi galima apibūdinti kvantiniais skaičiais I ir magnetiniame lauke m. Atominiai branduoliai su lyginiu skaičiumi protonų ir neutronų turi nulinį sukimąsi, o visi kiti turi ne nulinį sukimąsi. Be to, molekulės, kurių sukimasis nėra nulinis, turi magnetinį momentą μ = γ aš, kur γ yra giromagnetinis santykis, proporcingumo tarp magnetinio koeficiento konstanta dipolio momentas ir kampinis, kiekvienam atomui skirtingas.

Dėl magnetinio branduolio momento jis elgiasi kaip mažas magnetas. Jei nėra išorinio magnetinio lauko, kiekvienas magnetas orientuojamas atsitiktinai. BMR eksperimento metu mėginys dedamas į išorinį magnetinį lauką B0, dėl kurio mažos energijos strypo magnetai išsilygina B0 kryptimi, o didelės energijos strypiniai magnetai – priešinga kryptimi. Tokiu atveju pasikeičia magnetų sukimosi orientacija. Norint suprasti šią gana abstrakčią sąvoką, BMR eksperimento metu reikia atsižvelgti į branduolio energijos lygį.

Energijos lygiai

Norint apversti sukimąsi, reikalingas sveikasis kvantų skaičius. Bet kuriam m yra 2m + 1 energijos lygiai. 1/2 sukimosi branduoliui yra tik 2 - žemas, užimtas sukimų, sulygiuotų su B0, ir aukštasis, kurį užima sukimai, suderinti su B0. Kiekvienas energijos lygis nustatomas pagal išraišką E = -mℏγB 0, kur m yra magnetinis kvantinis skaičius, šiuo atveju +/- 1/2. Energijos lygiai m > 1/2, žinomi kaip kvadrupolio branduoliai, yra sudėtingesni.

Energijos skirtumas tarp lygių yra lygus: ΔE = ℏγB 0, kur ℏ yra Planko konstanta.

Kaip matyti, magnetinio lauko stiprumas turi didelę reikšmę, nes jo nesant lygiai išsigimsta.

Energijos perėjimai

Kad įvyktų branduolinis magnetinis rezonansas, turi įvykti sukimosi pokytis tarp energijos lygių. Energijos skirtumas tarp dviejų būsenų atitinka elektromagnetinės spinduliuotės energiją, dėl kurios branduoliai keičia energijos lygį. Daugumai BMR spektrometrai B 0 yra 1 tesla (T), o γ yra 10 7 eilės. Todėl reikalinga elektromagnetinė spinduliuotė yra 10 7 Hz. Fotono energija pavaizduota formule E = hν. Todėl sugerčiai reikalingas dažnis: ν= γB 0 /2π.

Branduolinis ekranavimas

BMR fizika remiasi branduolinio ekranavimo koncepcija, kuri leidžia nustatyti medžiagos struktūrą. Kiekvienas atomas yra apsuptas elektronų, kurie sukasi aplink branduolį ir veikia jo magnetinį lauką, o tai savo ruožtu sukelia nedideli pakeitimai energijos lygiai. Tai vadinama ekranavimu. Branduoliai, kurie patiria skirtingus magnetinius laukus, susijusius su vietine elektronine sąveika, vadinami neekvivalentiniais. Norint pakeisti energijos lygius, kad būtų galima suktis, reikia kitokio dažnio, o tai sukuria naują BMR spektro smailę. Atranka leidžia struktūriškai nustatyti molekules analizuojant BMR signalą naudojant Furjė transformaciją. Rezultatas yra spektras, susidedantis iš smailių rinkinio, kurių kiekviena atitinka skirtingą cheminę aplinką. Smailės plotas yra tiesiogiai proporcingas branduolių skaičiui. Išsamią informaciją apie struktūrą išgauna BMR sąveika, įvairiais būdais keičiantis spektrą.

Atsipalaidavimas

Atsipalaidavimas reiškia reiškinį, kai branduoliai grįžta į savo termodinamiškai būsenos, kurios yra stabilios po sužadinimo iki aukštesnio energijos lygio. Taip išlaisvinama energija, sugerta pereinant iš žemesnio lygio į aukštesnį. Tai gražu sudėtingas procesas, vykstantys skirtingais laiko tarpais. Du labiausiai bendras atsipalaidavimo tipai yra sukimasis-gardelė ir sukimasis-sukinys.

Norint suprasti atsipalaidavimą, būtina atsižvelgti į visą modelį. Jei branduoliai dedami į išorinį magnetinį lauką, jie sukurs tūrio įmagnetinimą išilgai Z ašies. Jų sukiniai taip pat yra koherentiški ir leidžia aptikti signalą. BMR perkelia masinį įmagnetinimą iš Z ašies į XY plokštumą, kur jis pasirodo.

Sukimo-gardelės atsipalaidavimas apibūdinamas laiku T 1, reikalingu atkurti 37% tūrio įmagnetinimo išilgai Z ašies efektyvesnis procesas atsipalaidavimas, tuo mažiau T1. Kietosiose medžiagose, kadangi judėjimas tarp molekulių yra ribotas, atsipalaidavimo laikas yra ilgas. Matavimai dažniausiai atliekami impulsiniais metodais.

Sukimo-sukimosi relaksacijai būdingas tarpusavio koherencijos laiko T 2 praradimas. Jis gali būti mažesnis arba lygus T1.

Branduolinis magnetinis rezonansas ir jo taikymas

Dvi pagrindinės sritys, kuriose NMR pasirodė itin svarbios, yra medicina ir chemija, tačiau kasdien kuriamos naujos programos.

Branduolinio magnetinio rezonanso tomografija, plačiau žinoma kaip magnetinio rezonanso tomografija (MRT), yra svarbi medicininės diagnostikos priemonė, naudojamas funkcijoms ir struktūrai tirti žmogaus kūnas. Tai leidžia gauti išsamius bet kurio organo, ypač minkštųjų audinių, vaizdus visose įmanomose plokštumose. Naudojamas širdies ir kraujagyslių, neurologinių, raumenų ir kaulų sistemos bei onkologijos vaizdavimo srityse. Skirtingai nuo alternatyvios kompiuterinės tomografijos, magnetinio rezonanso tomografija nenaudojama jonizuojanti spinduliuotė, todėl visiškai saugus.

MRT gali aptikti subtilius pokyčius, kurie atsiranda laikui bėgant. BMR introskopija gali būti naudojama siekiant nustatyti struktūrinius sutrikimus, atsirandančius ligos eigoje, kaip jie veikia tolesnį vystymąsi ir kaip jų progresavimas koreliuoja su psichikos ir psichikos sutrikimais. emociniai aspektai sutrikimai. Kadangi MRT netinkamai vizualizuoja kaulą, jis suteikia puikius intrakranijinių ir intravertebrinis turinį.

Branduolinio magnetinio rezonanso panaudojimo diagnostikoje principai

MRT procedūros metu pacientas guli masyviame tuščiaviduriame cilindriniame magnete ir yra veikiamas galingo, nuolatinio magnetinio lauko. Skirtingi atomai nuskaitytoje kūno dalyje rezonuoja skirtingais lauko dažniais. MRT pirmiausia naudojamas vandenilio atomų, kuriuose yra besisukantis protonų branduolys, turintis nedidelį branduolį, virpesiams aptikti. magnetinis laukas. Atliekant magnetinio rezonanso tomografiją, foninis magnetinis laukas išlygina visus audinio vandenilio atomus. Antrasis magnetinis laukas, orientuotas kitaip nei foninis laukas, įsijungia ir išsijungia daug kartų per sekundę. Tam tikru dažniu atomai rezonuoja ir išsirikiuoja su antruoju lauku. Kai jis išsijungia, atomai atsimuša, susilygiuodami su fonu. Taip sukuriamas signalas, kurį galima priimti ir paversti vaizdu.

Audiniai, kuriuose yra daug vandenilio, kuris yra žmogaus organizme kaip vandens dalis, sukuria ryškų vaizdą, o kai vandenilio yra mažai arba visai nėra (pavyzdžiui, kaulai), atrodo tamsūs. MRT ryškumą padidina kontrastinė medžiaga, tokia kaip gadodiamidas, kurią pacientai vartoja prieš procedūrą. Nors šios priemonės gali pagerinti vaizdo kokybę, procedūros jautrumas išlieka gana ribotas. Kuriami metodai MRT jautrumui padidinti. Perspektyviausias yra paravandenilio panaudojimas – vandenilio forma, pasižyminti unikaliomis molekulinėmis sukimosi savybėmis ir labai jautri magnetiniams laukams.

Patobulinus MRT naudojamų magnetinių laukų charakteristikas, buvo sukurti labai jautrūs vaizdo gavimo metodai, tokie kaip difuzija ir funkcinis MRT, kurie yra skirti labai specifinėms audinių savybėms vaizduoti. Be to, kraujo judėjimui vaizduoti naudojama unikali MRT technologijos forma, vadinama magnetinio rezonanso angiografija. Tai leidžia vizualizuoti arterijas ir venas be adatų, kateterių ar kontrastinių medžiagų. Kaip ir naudojant MRT, šie metodai padėjo pakeisti biomedicinos tyrimus ir diagnostiką.

Išplėstinė kompiuterinės technologijos leido radiologams iš MRT skaitytuvais gautų skaitmeninių pjūvių sukurti trimates hologramas, kurios padeda nustatyti tikslią pažeidimo vietą. Tomografija ypač vertinga tiriant smegenis ir nugaros smegenis, taip pat dubens organus, tokius kaip šlapimo pūslė ir akytieji kaulai. Metodas gali greitai ir aiškiai tiksliai nustatyti naviko pažeidimo mastą ir įvertinti galimą insulto žalą, todėl gydytojai gali laiku paskirti tinkamą gydymą. MRT iš esmės pakeitė artrografiją, poreikį suleisti kontrastinę medžiagą į sąnarį, kad būtų galima vizualizuoti kremzlės ar raiščių pažeidimus, ir mielografiją, kontrastinės medžiagos injekciją į stuburo kanalą, siekiant vizualizuoti nugaros smegenų ar tarpslankstelinių diskų anomalijas.

Taikymas chemijoje

Daugelis laboratorijų šiandien naudoja branduolinį magnetinį rezonansą svarbių cheminių ir biologinių junginių struktūroms nustatyti. BMR spektruose skirtingos smailės suteikia informacijos apie specifinę cheminę aplinką ir ryšius tarp atomų. Dauguma bendras Magnetinio rezonanso signalams aptikti naudojami izotopai yra 1 H ir 13 C, tačiau tinka ir daugelis kitų, pvz., 2 H, 3 He, 15 N, 19 F ir kt.

Šiuolaikinė BMR spektroskopija plačiai pritaikyta biomolekulinėse sistemose ir vaidinimuose svarbus vaidmuo struktūrinėje biologijoje. Tobulėjant metodikai ir instrumentams, BMR tapo vienu galingiausių ir universaliausių spektroskopinių biomakromolekulių analizės metodų, leidžiančių charakterizuoti jas ir jų kompleksus iki 100 kDa dydžio. Kartu su rentgeno kristalografija tai yra viena iš dviejų pagrindinių jų struktūros nustatymo technologijų atominiame lygmenyje. Be to, BMR suteikia unikalų ir svarbi informacija apie baltymo, kuris vaidina lemiamą vaidmenį vystymuisi, funkcijas vaistai. Kai kurie naudojimo būdai BMR spektroskopija pateikiami žemiau.

• Tai vienintelis metodas biomakromolekulių atominės struktūros nustatymas in vandeniniai tirpalai arti fiziologinis sąlygomis arba membraną imituojančiomis aplinkomis.
• Molekulinė dinamika. Tai yra galingiausia metodas kiekybinis įvertinimas dinaminės biomakromolekulių savybės.
• Baltymų lankstymas. BMR spektroskopija yra pati galingiausia priemonė, leidžianti nustatyti išsiskleidusių baltymų ir susilankstančių mediatorių liekamąsias struktūras.
• Jonizacijos būsena. Metodas yra veiksmingas nustatant cheminės savybės funkcines grupes biomakromolekulėse, tokiose kaip jonizacija fermentų aktyviųjų vietų jonizuojamų grupių būsenos.
• Branduolinis magnetinis rezonansas leidžia tirti silpnas funkcines sąveikas tarp makrobiomolekulių (pavyzdžiui, su disociacijos konstantomis mikromoliniuose ir milimoliniuose diapazonuose), kurių negalima atlikti kitais metodais.
• Baltymų drėkinimas. BMR yra aptikimo įrankis vidinis vanduo ir jo sąveika su biomakromolekulėmis.
• Tai unikalu tiesioginės sąveikos aptikimo metodas vandeniliniai ryšiai.
• Atranka ir vaistų kūrimas. Visų pirma, branduolinis magnetinis rezonansas yra ypač naudingas identifikuojant vaistus ir nustatant junginių, susijusių su fermentais, receptoriais ir kitais baltymais, konformacijas.
• Natūralus membraninis baltymas. Kietojo kūno BMR turi potencialą membranos baltymų domenų atominių struktūrų nustatymas gimtosios membranos aplinkoje, įskaitant surištus ligandus.
• Metabolinė analizė.
• Cheminė analizė. Sintetinių ir natūralių cheminių medžiagų cheminis identifikavimas ir konformacinė analizė.
• Medžiagų mokslas. Galingas įrankis polimerų chemijos ir fizikos studijose.

Kitos programos

Branduolinis magnetinis rezonansas ir jo taikymas neapsiriboja medicina ir chemija. Šis metodas pasirodė esąs labai naudingas kitose srityse, tokiose kaip klimato bandymai, naftos pramonė, procesų valdymas, Žemės lauko BMR ir magnetometrai. Neardomieji bandymai leidžia sutaupyti brangių biologinių mėginių, kurie gali būti naudojami pakartotinai, jei reikia atlikti daugiau tyrimų. Branduolinis magnetinis rezonansas geologijoje naudojamas uolienų poringumui ir požeminių skysčių pralaidumui matuoti. Magnetometrai naudojami įvairiems magnetiniams laukams matuoti.