Nükleer manyetik rezonans (NMR) en güvenli teşhis yöntemidir

Teşekkür ederim

Genel bilgi

Ekonomi ve bilimde uygulama

Yöntemin özü

Alanın yönünü aniden değiştirirseniz su molekülü bir elektrik parçacığı açığa çıkarır. Cihazın sensörleri tarafından algılanan ve bir bilgisayar tarafından analiz edilen bu yüklerdir. Hücrelerdeki su konsantrasyonunun yoğunluğuna bağlı olarak bilgisayar, incelenen organın veya vücudun bir kısmının bir modelini oluşturur.

Çıkışta doktorun elinde organın ince kesitlerini çok detaylı bir şekilde görebileceğiniz tek renkli bir görüntü bulunur. Bilgi içeriğinin derecesine göre bu yöntem bilgisayarlı tomografiyi önemli ölçüde aşıyor. Bazen incelenen organ hakkında teşhis için gerekli olandan daha fazla ayrıntı sağlanır.

Manyetik rezonans spektroskopisi türleri

• Biyolojik sıvılar,
• İç organlar.

Manyetik rezonans perfüzyon tekniği, kanın karaciğer ve beyin dokularındaki hareketinin izlenmesini mümkün kılar.

Bugün tıpta bu isim daha yaygın olarak kullanılmaktadır. MR (manyetik rezonans görüntüleme ), bahsi geçtiğinden beri nükleer reaksiyon adına hastaları korkutuyor.

Endikasyonlar

Kontrendikasyonlar

Göreceli kontrendikasyonlar:
1. Sinir sistemi uyarıcıları,
2. İnsülin pompaları,
3. Diğer iç kulak protez çeşitleri,
4. Protez kalp kapakçıkları,
5. Diğer organlarda hemostatik klempler,
6. Hamilelik ( bir jinekologun görüşünü almak gerekir),
7. Dekompansasyon aşamasında kalp yetmezliği,
8. Klostrofobi ( kapalı alan korkusu).

Çalışmaya hazırlanma

Araştırma nasıl yürütülüyor?

Cihaz, hastanın içine yerleştirildiği geniş bir tüptür. yatay konum. Hasta tamamen hareketsiz kalmalıdır, aksi takdirde görüntü yeterince net olmayacaktır. Borunun içi karanlık değildir ve temiz havalandırma vardır, bu nedenle işlem koşulları oldukça rahattır. Bazı kurulumlar gözle görülür bir uğultu üretir ve ardından muayene edilen kişi gürültü emici kulaklıklar takar.

Sınavın süresi 15 dakikadan 60 dakikaya kadar değişebilir.
Bazılarında tıp merkezleri Araştırmanın yapıldığı odada hastanın yanında bir akraba veya refakatçinin bulunmasına izin verilir ( kontrendikasyon yoksa).

Bazı tıp merkezlerinde anestezi uzmanı sakinleştirici ilaç verir. Bu durumda, özellikle klostrofobisi olan hastalar, küçük çocuklar veya bazı nedenlerden dolayı hareketsiz kalmakta zorlanan hastalar için prosedürün tolere edilmesi çok daha kolaydır. Hasta terapötik uyku durumuna girer ve bu durumdan dinlenmiş ve canlanmış olarak çıkar. Kullanılan ilaçlar vücuttan hızla atılır ve hasta için güvenlidir.

İşlem bitiminden 30 dakika sonra muayene sonucu hazır olur. Sonuç DVD, doktor raporu ve fotoğraf şeklinde verilmektedir.

NMR'de kontrast madde kullanımı

Kontrast madde kullanımına kontrendikasyonlar:

• Gebelik,
• Daha önce tanımlanan kontrast maddesinin bileşenlerine karşı bireysel hoşgörüsüzlük.

Damar muayenesi (manyetik rezonans anjiyografi)

Endikasyonlar:

• Konjenital kalp kusurları,
• Anevrizma, diseksiyon,
• Damar darlığı,

Beyin araştırması

• boynun ana damarları,
• beyni besleyen kan damarları
• beyin dokusu,
• göz yuvalarının yörüngeleri,
• Beynin daha derin kısımları ( beyincik, epifiz bezi, hipofiz bezi, oblongata ve ara bölümler).

Fonksiyonel NMR

Omurga muayenesi

Omurganın tamamını inceleyebilir veya yalnızca ilgili bölgeyi inceleyebilirsiniz: servikal, torasik, lumbosakral ve ayrıca kuyruk kemiğini ayrı ayrı inceleyebilirsiniz. Böylece servikal omurgayı incelerken, beyne kan akışını etkileyen kan damarları ve omur patolojileri tespit edilebilir.
Bel bölgesini incelerken omurlararası fıtıklar, kemik ve kıkırdak sivri uçları ile sinir sıkışmaları tespit edilebilir.

Endikasyonlar:

• Fıtıklar da dahil olmak üzere intervertebral disklerin şeklindeki değişiklikler,
• Sırt ve omurga yaralanmaları
• Kemiklerde osteokondroz, distrofik ve inflamatuar süreçler,
• Neoplazmalar.

Omurilik muayenesi

Endikasyonlar:

• Omurilik neoplazmları olasılığı, fokal lezyonlar,
• Omurilik boşluklarının beyin omurilik sıvısıyla dolmasını kontrol etmek,
• Omurilik kistleri,
• Ameliyat sonrası iyileşmeyi izlemek için,
• Omurilik hastalığı riski varsa.

Ortak sınav

Teşhis için kullanılır:

• Kronik artrit,
• Tendon, kas ve bağ yaralanmaları ( özellikle spor hekimliğinde sıklıkla kullanılır),
• Perelomov,
• Yumuşak doku ve kemik neoplazmaları,
• Diğer teşhis yöntemleriyle tespit edilemeyen hasar.

• Kalça eklemlerinin osteomiyelit, femur başı nekrozu, stres kırığı, septik artrit açısından muayenesi,
• Diz eklemlerinin stres kırıkları açısından incelenmesi, bazı iç bileşenlerin bütünlüğünün ihlali ( menisküs, kıkırdak),
• Omuz ekleminin çıkık, sinir sıkışması, eklem kapsülünün yırtılması açısından incelenmesi,
• İnstabilite, çoklu kırık, median sinir sıkışması ve bağ hasarı durumlarında el bileği ekleminin incelenmesi.

Temporomandibular eklemin muayenesi

Endikasyonlar:

• Alt çenenin hareket kabiliyetinin bozulması,
• Ağzı açarken ve kapatırken çıkan çıtırtı sesleri,
• Ağzı açıp kapatırken şakaklarda ağrı,
• Çiğneme kaslarının palpe edilmesiyle ağrı,
• Boyun ve baş kaslarında ağrı.

Karın boşluğunun iç organlarının muayenesi

• Bulaşıcı olmayan sarılık,
• Karaciğer neoplazmı, dejenerasyon, apse, kist, sirozlu olma olasılığı,
• Tedavinin ilerlemesini izlemek için,
• Travmatik yırtılmalar için,
• Safra kesesi veya safra kanallarındaki taşlar,
• Herhangi bir biçimde pankreatit,
• Neoplazma olasılığı,
• Parankimal organların iskemi.

Böbrek muayenesi şu durumlarda reçete edilir:

• Bir neoplazm şüphesi,
• Böbreklerin yakınında bulunan organ ve dokuların hastalıkları,
• İdrar organlarının oluşumunun bozulma olasılığı,
• Boşaltım ürografisi yapmak mümkün değilse.

Üreme sistemi hastalıklarının araştırılması

• Rahim, mesane, prostat neoplazmı olasılığı,
• Yaralanmalar,
• Metastazları tespit etmek için pelvik neoplazmlar,
• Sakrum bölgesinde ağrı,
• vezikülit,
• Lenf düğümlerinin durumunu incelemek.

Testten bir saat önce idrara çıkmanız önerilmez çünkü mesane biraz doluysa görüntü daha bilgilendirici olacaktır.

Hamilelik sırasında çalışma

Önlemler

2. Cihazın bulunduğu odaya metal nesneler ve elektronik cihazlarla girilmesi yasaktır ( ör. saatler, mücevherler, anahtarlar), çünkü güçlü bir elektromanyetik alanda elektronik cihazlar kırılabilir ve küçük metal nesneler uçup gidebilir. Aynı zamanda, tamamen doğru anket verileri elde edilmeyecektir.

ELEKTROMANYETİK REZONATÖRLERİN GELİŞİMİ

Rezonatör şunları yapabilir: uzun zamandır harici bir darbenin neden olduğu periyodik salınımları sürdürün. Rezonatörün dış harmonik etkiye göre frekans seçiciliği vardır: salınımlarının genliği rezonans frekansında maksimumdur ve ondan uzaklaştıkça azalır. Elektromanyetik rezonatörlerdeki salınımlar, elektrik ve manyetik alanların karşılıklı dönüşümünü temsil eder. Rezonatörler, birçok amplifikatörün, çoğu jeneratörün, alıcının, frekans filtresinin ve frekans ölçerin ayrılmaz bir parçası olan radyo mühendisliği cihazlarında yaygın olarak kullanılmaktadır.

En basit elektromanyetik rezonatör, salınımlı bir LC devresidir. Elektrik enerjisinin bir kapasitörde oluşturulduğunu ve manyetik enerjinin bir indüktörde oluşturulduğunu tespit etmek kolaydır. Enerjinin bir elektrik alanından manyetik alana geçişi. Alana, kapasitörden endüktansa doğru uzaysal bir enerji hareketi eşlik eder. Devrenin boyutları, dalga boyuna göre küçük olmalıdır. Zaten metre dalga boyu aralığında, devre tatmin edici bir şekilde çalışmayı durdurur: peruklar arası kapasitans. bobinler, girişlerin endüktansı ve kapasitör plakaları etkilenir. Frekanstaki bir artış, bobinin ve kapasitörün boyutunun azaltılmasını gerektirir, bu da izin verilen salınım gücünde bir azalmaya yol açar.

Desimetre aralığında ve daha fazlası kısa dalgalar(kısmen ve metre aralığında) sınırlı bir hacim içinde elektromanyetik salınımların ortaya çıktığı rezonatörler kullanılır; Bu yüzden bunlara hacimsel denir.

Devrenin kademeli olarak boşluk rezonatörüne dönüşümü Şekil 1'de gösterilmektedir. 11.1. Devrenin (Şekil 11.1a) çok yüksek bir frekans için tasarlanmasına ve yalnızca bir dönüşe sahip olmasına izin verin. Buna paralel olarak birkaç dönüşün daha eklenmesi (Şekil 11.16), bu sistemin salınım frekansını arttırır ve azaltır zararlı radyasyon uzaya. Tüm dönüşlerin sürekli bir dönme yüzeyinde birleştirilmesi (Şekil 11.1 c), daha da yüksek bir salınım frekansına sahip, tamamen korumalı bir toroidal rezonatöre yol açar; Bu rezonatör yarı sabit olanlar sınıfına aittir.

Yarı sabit rezonatörler, kapasitans ve endüktansa eşdeğer olan, elektrik ve manyetik alanların açıkça tanımlanmış varoluş bölgelerine sahiptir; böyle bir rezonatörün tamamen korumalı bir salınım devresi olduğunu varsayabiliriz. Yarı-sabit bir rezonatörün boyutları, kendi salınımlarının dalga boyuna kıyasla küçüktür.

Plakaları (kapasitörün) hareket ettirerek, rezonatörün sınırını dışbükey bir yüzeye, örneğin küresel hale getiriyoruz (Şekil 11.1 d). Bunun doğal frekansı daha da artacak ve dalga boyu, dalga boyu ile karşılaştırılabilir hale gelecektir. rezonatörün boyutları Artık rezonatörün tüm hacmi neredeyse eşit olarak elektrik ve manyetik sıfırlarla doludur, bu nedenle kapasitans ve endüktans özelliklerine sahip bireysel alanları izole etmek mümkündür. Rezonatörün içinde dolaşan dalga her zaman belirli bir noktaya ve aynı faza ulaşırsa, duvarlarından art arda yansıyan kısmi dalgaların toplamı olarak rezonans oluşur.

Dalga boylarının çok geniş olduğu optik aralığın gelişimi sırasında önemli değişiklikler meydana geldi. daha küçük boyutlar rezonatör. Aynı zamanda metal duvarlı kapalı hacimlerden de vazgeçmek zorunda kaldık. Optik dalgalar üreten açık boşluklu rezonatörler, yansıtıcı duvarın yalnızca bir kısmını tutar. En basit durumda, elektromanyetik dalgayı birbirine yansıtan, çok katmanlı bir dielektrikten yapılmış iki karşıt aynadan oluşan bir sistemdir.

DOĞAL VE ZORLANMIŞ TİTREŞİMLER

Salınım devreleri teorisinden bilindiği gibi doğal salınımlar, kendisine enerjinin bir kısmı sağlandığında harici darbe etkisi altında rezonatörde ortaya çıkar. Kuruluş sürecinden sonra harmonik olarak sönümlenirler ve yasaya göre zamana bağımlı olurlar:

burada (Oc, salınımların doğal dairesel frekansı, rezonatörün zaman sabiti, rezonatörün kendi kalite faktörü, salınımların karmaşık doğal frekansıdır.

Hacimsel bir rezonatörün, her biri belirli bir alan yapısına ve belirli değerlere karşılık gelen bir dizi doğal salınımı vardır. elektromanyetik darbe rezonatörde, formun (11.1) bir dizi frekans bileşeninden oluşan karmaşık bir salınım yaratır.

Zorla salınımlara (dış periyodik etkiler neden olur, enerji ise sisteme her periyotta girer. Bu salınımların frekansı, salınım sisteminin rezonans frekanslarından biriyle çakışırsa, rezonans meydana gelir (salınımların genliğinde keskin bir artışla birlikte). Rezervler elektriksel ve manyetik Rezonatör rezonansındaki enerjiler ortalama olarak aynı periyot boyunca aynıdır, böylece enerji bir durumdan diğerine tamamen aktarılır. (Harici kaynaktan) gelen iletişim hattı, salınım sistemi sadece karşılaştırmalı olarak küçük miktar Isı kayıplarını telafi etmek için gereken enerji.

ZORLANMIŞ SALINIM MODUNDA REZONATÖR PARAMETRELERİ

Rezonans frekansı ya da doğal frekanstan çok az farklıdır. Örneğin bu fark ('den azdır. Değer, rezonatörün geometrik boyutlarına ve söz konusu salınımın elektromanyetik alanının yapısına göre belirlenir. Belirli bir türün incelenmesi. Salınımların diğerlerinden bağımsız olarak uyarılması, ancak diğer salınım türlerinin, uyarıcı cihazdan yeterince uzak veya onunla ilgisi olmayan rezonans frekanslarına sahip olması durumunda, yalnızca nispeten dar bir bantta mümkündür.

Kalite faktörü enerji parametreleri aracılığıyla belirlenebilir. (Devre teorisinde bobinin endüktansı, direnci (kayıpları) nerededir. Bu formülün payını ve paydasını çarpın (ile

Rezonans sırasında rezonatörde biriken enerji. Rezonatörde dönem boyunca ortalama güç kaybının olması nedeniyle endüktanstaki manyetik enerjinin iki katına eşittir.

Bu nedenle rezonatörün içsel kalite faktörü şu şekilde ifade edilir:

yani rezonatörde biriken enerjinin oranına eşit olan [rezonans, anerji kaybı (bir periyotta rezonatörde). için Formül (11.2) orijinalden daha evrenseldir. enerji miktarları, herhangi bir sistem için kolayca belirlenebilir.

Rezonansta giriş direnci (veya iletkenlik, iletişim cihazının önündeki rezonatörün girişindeki hatta ölçülür (Şekil 11.2). Hattın bu bölümüne referans düzlemi adını vereceğiz. Kararlı durumda güç, Jeneratör rezonatördeki güç kayıplarına eşittir.

Dolayısıyla direnç, rezonatördeki kaybın bir ölçüsüdür. Değeri, iletişim cihazının tasarımına ve belirli bir rezonatöre dahil edildiği yere bağlıdır.

Rezonans karakteristiği - rezonatörün karmaşık giriş empedansının frekansına veya giriş iletkenliğine bağımlılık, bağlantı elemanının tasarımının dahil edildiği yere ve ayrıca iletişim hattındaki referans düzleminin konumunun seçimine bağlıdır. Rezonatörün paralel devreye eşdeğer olduğu veya seri devreye eşdeğer olduğu düşünülebilir. salınım devresi. Buna göre, (paralel rezonans)

Sayfa 1

Elektromanyetik rezonatörler öncelikle iletken duvarlarla sınırlanan bir dielektrik bölgeden oluşur.  

Elektromanyetik rezonatörler çok çeşitli şekillere sahip olabilir. Özellikle önemli sınıf kapalı uçlu silindirik dalga kılavuzları olan rezonatörlerdir. Uç yüzeylerin silindir eksenine dik düzlemler olduğunu varsayacağız.  

Elektromanyetik rezonatörlerin içi genellikle hangi amaçla gümüşle kaplanır?  

İÇİNDE genel durum Elektromanyetik rezonatörler teorisinde Maxwell denklemlerinin veya ikinci dereceden türev denklemlerinin çözümleri gerekli sınır koşulları altında aranır.  

Bakır elektromanyetik rezonatörün ayar keskinliğinin, onu sıvı havaya batırarak neden büyük ölçüde artırılabileceğini açıklayın.  

MULTIMODE, aşağıdakiler için tasarlanmıştır: sayısal modelleme kompleksin eksenel simetrik ve uzunlamasına homojen elektromanyetik rezonatörleri geometrik şekil. Pakette kullanılan iki ikinci dereceden izoparametrik sonlu elemanlar, sınırların kavisli bölümlerine yeterince yaklaşmayı ve az sayıda ızgara düğümüyle, uygulama için gereken doğruluk dahilinde frekans değerleri elde etmeyi mümkün kılar. Alt uzay yineleme yöntemi, ilk birkaç doğal frekansın aynı anda bulunmasını mümkün kılar ve ilgili işlevler Spektrum dağılımı hakkında önceden bilgi gerektirmeden. Yöntem, hem basit hem de çoklu frekansları hesaplamanıza olanak tanır. Aynı sınıftaki bir bilgisayarda aynı sorunları diğer yöntemlerle çözerken yapılan bir karşılaştırma, MULTIMODE'un aynı doğruluğu elde ederken 1 - 2 büyüklük sırası daha az işlemci süresi gerektirdiğini gösterir. Bu, karmaşık rezonatörlerin etkili bir şekilde hesaplanmasını ve geometrilerinin optimize edilmesini mümkün kılar. Paket kendi grafiğiyle donatılmıştır yazılım almayı mümkün kılan grafik gösterimi sonuçlar. Şu anda MULTIMODE paketi JINR, IHEP, INP AS SSCB, IM BAN'da uygulanmakta ve yeni hızlandırıcı tesislerin tasarımında kullanılmaktadır.  

İletken bir ortamdaki a yarıçaplı küresel bir boşluk, elektromanyetik rezonatör görevi görebilir.  

Soru, bir atomun veya genel olarak bize yabancı olan bir elektromanyetik rezonatörün radyasyon emisyon mekanizmasına aktarılıyor.  

Soru, bir atomun veya genel olarak bize yabancı olan bir elektromanyetik rezonatörün radyasyon emisyon mekanizmasına aktarılıyor. Rezonatörler arasındaki enerji dağılımı problemini çözen Planck, belirli bir rezonatörün sahip olduğunu kabul etti. verilen numara salınımlar v, enerjinin yalnızca tam kısımlarını (hv) alabilir. İÇİNDE modern zamanlar Planck, radyasyonun yalnızca kısımlar / iv olarak meydana geldiği, emilimin ise sürekli olarak meydana geldiği varsayımıyla yetinilebileceğini gösterdi.  

Yöntemin teorisi, bir elektromanyetik rezonatör için genelleştirilmiş bir etki teoremine dayanmaktadır: kayıpsız bir elektromanyetik rezonatörde, toplam enerji, salınım periyodunun değişmeden kaldığı herhangi bir adyabatik değişime göre değişmez. Adyabatik değişim, salınım periyoduna göre çok yavaş gerçekleşen bir değişimdir.  

Sovyetler Birliği'ndeki kablolu iletişim hatları için telemetre sistemlerinde, doğru akımla (frekansa göre) kontrol edilen elektromanyetik rezonatörlü kompanzasyon dönüştürücüler en yaygın şekilde kullanılır. SSCB'de telemetre sistemleri için frekans ölçüm dönüştürücülerinin uygulanmasına yönelik bu yön, prof tarafından önerilmiş ve geliştirilmiştir.  

Belirlemenin başka bir yöntemi var dalga fonksiyonları, aşağıdaki fenomene dayanmaktadır. Elektromanyetik rezonatöre küçük bir metal tanecik (top) sokulursa rezonans frekansı artacak ve rezonans kayması, taneciğin bulunduğu noktadaki elektrik alan kuvvetinin karesiyle orantılı olacaktır.  

Mikrodalga manyetik alanı; M0 mıknatıslanmanın sabit bileşenidir; Nt ve Nz - enine ve boyuna manyetikliği giderme faktörleri; Ancak R0 aynı zamanda iç ve dış mıknatıslanma alanlarıdır; DN ve AY sırasıyla ferrit ortamının ve numunenin statik FMR eğrisinin yarı genişliğidir. Denklem (1), bir elektromanyetik rezonatörün salınımlarını sağ tarafı biçiminde açıklayan denklemden farklıdır. M vektörünün bir veya başka bir enine yöndeki bileşeni için denklemin sağ tarafı, mikrodalga alanının bu yöndeki bileşenine ek olarak, alanın enine bileşenlerinin türevlerini içerir.  

Tanımladığımız rezonans boşluğu görünüş olarak bir bobin ve bir kapasitörden oluşan geleneksel bir rezonans devresinden çok farklı olmasına rağmen, her iki rezonans sistemi de birbirine yakından bağlıdır. İkisi de aynı ailenin üyeleridir; Bunlar elektromanyetik rezonatörlerin sadece iki uç örneğidir ve aralarına birçok ara aşama yerleştirilebilir. Diyelim ki endüktansa paralel bir kapasitör bağlayıp bir rezonans devresi oluşturarak başlayalım (Şekil 1).  

Kuantum elektromanyetik rezonatör

Kuantum elektromanyetik rezonatör (QER) (Kuantum Elektromanyetik Rezonatör) – kapalı topolojik nesne üç boyutlu uzay, genel durumda "boşluk" serbest biçim belirli bir “kalınlığa” sahip belirli bir “yüzey”e sahiptir. Klasik durumun aksine, "elektromanyetik dalgalar" ve radyasyon kayıpları yoktur, ancak QER'in kuantum özelliklerinden kaynaklanan faz kaydırmalı bir elektromanyetik alanın "sonsuz" salınımları vardır.

Arka plan

Tarihsel olarak kapasitans ve endüktans gibi fiziksel reaktif niceliklerin pratikte sadece kuantumda değil, klasik teorik elektrodinamikte de dikkate alınması böyle olmuştur. Gerçek şu ki, ikincisi, elektromanyetik alanların her zaman elde edildiği çözümün bir sonucu olarak Maxwell denklemleri sistemine açıkça dahil edilmemiştir ve bazen ortaya çıkan çözümlerde kapasitans veya endüktans ile ilişkilendirilebilecek boyutsal katsayılar ortaya çıkmışsa, o zaman onlarla ilişki uygundu. Ayrıca “alan yaklaşımının” hareketin dikkate alınmasından kaynaklanan “kötü sonsuzlukların” ortaya çıkmasına yol açtığı da bilinmektedir. matematiksel nokta"(elektrik yüküyle) kuvvet alanlarının etkisi altında. Genel olarak kabul edilen kuantum elektrodinamiği, "kötü sonsuzluklardan" kaçamadı ve bu kapsamda "kötü sonsuzlukları telafi etmeye" yönelik güçlü yöntemler de geliştirildi.

Aksine, uygulamalı fizikte kapasitans ve endüktans kavramı, önce elektrik mühendisliğinde, ardından radyo elektroniğinde geniş uygulama alanı buldu. Uygulamalı fizikte reaktif parametrelerin kullanılmasının temel sonucu, günümüzde çeşitli frekanslarda elektromanyetik dalgaların üretilmesi, alınması ve iletilmesine dayanan bilgi teknolojilerinin yaygın kullanımıdır. Aynı zamanda teorik düzeyde gelişme eksikliği fiziksel kavramlarÇünkü kapasitans ve endüktans bugün zaten bir dereceye kadar gelişimde sınırlayıcı bir faktör haline geliyor Bilişim teknolojisi genel olarak ve özellikle kuantum hesaplama. Klasik mekanik osilatörün kuantum düşüncesinin kuantum mekaniğinin yaratıldığı dönemde gerçekleştirildiğini hatırlamak yeterli olacaktır (onun örneklerinden biri olarak). pratik uygulama), konturun kuantum değerlendirmesi teorik olarak yalnızca 20. yüzyılın 70'li yıllarının başında formüle edilmiş ve ayrıntılı değerlendirme yalnızca 90'lı yılların ortalarında başlamıştır.

İlk kez bir kuantum devresi için Schrödinger denklemini çözme ihtiyacı Louisella (1973) tarafından yazılan monografide gündeme getirildi. O zamanlar kuantum reaktif parametrelerin ne olduğuna dair bir anlayış yoktu (ve pratik örnekler o zamanlar mevcut değildi), bu nedenle bu yaklaşım yaygın olarak kullanılmıyordu. Durum yoğunluğuna dayanan kuantum kapasitesinin teorik olarak doğru bir şekilde tanıtılması, ilk olarak Luria (1988) tarafından kuantum Hall etkisi (QHE) dikkate alındığında ortaya atılmıştır. Ne yazık ki, durum yoğunluğunun da sonucu olan kuantum endüktanslar o dönemde tanıtılmamıştı ve bu nedenle kuantum reaktif osilatörün tam olarak değerlendirilmesi o zamanlar gerçekleşmemişti. Bir yıl sonra Yakimaha (1989), QHE'yi (tamsayı ve kesirli) açıklarken kuantum devrelerinin (veya daha doğrusu empedanslarının) seri-paralel bağlantısının bir örneğini değerlendirdi. Ama bu çalışma dikkate alınmadı fiziksel varlık bu kuantum reaktif parametreler de dikkate alınmadı ve kuantum denklemi Reaktif bir osilatör için Schrödinger. İlk defa, Yakimahi'nin (1994) çalışmasında, MIS transistörlerinin düşük frekanslarda (ses aralığı) spektroskopik çalışmaları sırasında tüm kuantum reaktif parametrelerin eşzamanlı olarak değerlendirilmesi gerçekleştirildi. Buradaki düz kuantum kapasitansları ve endüktansları, elektronun Compton dalga boyuna eşit bir kalınlığa ve vakumun dalga empedansına eşit bir karakteristik empedansa sahipti. Üç yıl sonra Devoret (1997) şunları sundu: tam teori kuantum reaktif osilatör (Josephson etkisine göre). Kuantum reaktif parametrelerin kuantum hesaplamadaki uygulaması Devorette (2004) kapsamında ele alınmaktadır.

Klasik elektromanyetik rezonatör

Genel durumda, klasik bir elektromanyetik rezonatör (CLER) boşluk 3 boyutlu alanda. Bu nedenle CLER, uzayın üç boyutlu olmasından dolayı sonsuz sayıda rezonans frekansına sahiptir. Örneğin, dikdörtgen bir CLER aşağıdaki rezonans frekanslarına sahiptir:

Nerede ; sırasıyla genişlik, kalınlık ve uzunluk, dielektrik sabiti, bağıl geçirgenlik, manyetik sabit, bağıl duyarlılık. Klasik LC devresinden farklı olarak KLER'de elektrik ve manyetik alanlar aynı hacimde yerleştirilmiştir. Klasik durum formundaki bu salınan elektromanyetik alanlar elektromanyetik dalgalar, içinde yayılabilen dış dünya rezonatörün dışında. Günümüzde CLER'ler radyo frekansı dalga boyu aralığında (santimetre ve desimetre) yaygın olarak kullanılmaktadır. Üstelik CLER, tek renkli ışık dalgalarıyla ilgilenen kuantum elektroniğinde de kullanılıyor.

Kuantum yaklaşımı

Kuantum LC devresi

İÇİNDE klasik fizik arasında aşağıdaki yazışma ilişkilerine sahibiz mekanik Ve elektrodinamik fiziksel parametreler:

manyetik indüktans ve mekanik yığın:

elektrik kapasite ve ters esneklik:

elektrik yükü ve koordinat kayması:

Kuantum momentum operatörü şarj alanı aşağıdaki biçimde sunulabilir:

indirgenmiş Planck sabiti nerede, karmaşık eşlenik momentum operatörüdür. Hamilton operatörü şarj alanışu şekilde temsil edilebilir:

karmaşık eşlenik yük operatörü nerede ve rezonans frekansı. Enerji kaybının olmadığı durumu () ele alalım. Aradaki tek fark şarj alanı ve geleneksel 3 boyutlu koordinat uzayı tek boyutluluğunda (1D) yatmaktadır. Kuantum LC devresi için Schrödinger denklemi şu şekilde tanımlanabilir:

Bu denklemi çözmek için aşağıdaki boyutsuz değişkenleri tanıtmak gerekir:

Nerede büyük ölçekli "yük". Daha sonra Schrödinger denklemi şu şekli alır: diferansiyel denklem Chebysheva-Ermita:

Hamilton operatörünün özdeğerleri şöyle olacaktır:

nerede olacağız sıfır salınım:

Genel olarak ölçek ücretişeklinde yeniden yazılabilir:

ince yapı sabiti nerede. Açıkça görülüyor ki ölçek ücreti Bir elektronun “metalurjik” yükünden farklıdır. Dahası, kuantizasyonu şu şekilde olacaktır:

Kuantum LC devresi olarak rezonatör

Luria'nın Yoğunluk Yaklaşımı enerji durumları(PES), kuantum kapasitans için aşağıdaki tanımı verir:

ve kuantum endüktansı:

rezonatörün yüzey alanı nerede ve İki boyutlu uzayda PES (2D), elektrik yükü(veya akış) ve manyetik yük(veya akış). Bu akışların daha sonra ek koşullar kullanılarak tanımlanacağı unutulmamalıdır.

Kuantum kapasitesinde biriken enerji:

Kuantum endüktansında biriken enerji:

Rezonatörün açısal frekansı:

Enerjinin korunumu kanunu:

Bu denklem şu şekilde yeniden yazılabilir:

Buradan bu "yüklerin" aslında "metalurjik yükler" değil "alan akışları" olduğu açıktır.

Rezonatörün karakteristik empedansı:

manyetik akı kuantumu nerede.

Yukarıdaki denklemlerden elektrik ve manyetik alan akılarının aşağıdaki değerlerini bulabiliriz:

Bu değerlerin “metalurjik yükler” değil, rezonatörün salınım enerjisi ile enerji arasındaki enerji dengesini koruyan alan akışlarının maksimum genlik değerleri olduğunu bir kez daha hatırlamak gerekir. tam enerji Kapasitans ve endüktans hakkında.

Nükleer manyetik rezonans (NMR), tüm endüstrilerde yaygın olarak kullanılan bir nükleer spektroskopidir. fizik bilimleri ve endüstri. NMR'de Atom çekirdeklerinin içsel spin özelliklerinin araştırılması büyük bir mıknatıs kullanılır. Herhangi bir spektroskopi gibi, enerji seviyeleri arasında bir geçiş (rezonans) oluşturmak için elektromanyetik radyasyon kullanır. radyo frekans dalgaları VHF aralığında). Kimyada NMR, küçük moleküllerin yapısının belirlenmesine yardımcı olur. Tıpta nükleer manyetik rezonans, manyetik rezonans görüntülemede (MRI) uygulama alanı buldu.

Açılış

NMR, 1946'da bilim adamları tarafından keşfedildi Harvard Üniversitesi Stanford'dan Purcell, Pound ve Torrey ve Bloch, Hansen ve Packard. 1H ve 31P çekirdeklerinin (proton ve fosfor-31), gücü her atoma özel olan bir manyetik alana maruz kaldıklarında radyo frekansı enerjisini emebildiklerini fark ettiler. Emildiklerinde her element kendi frekansında rezonansa girmeye başladılar. Bu gözlem bize şunları yapmamızı sağladı: detaylı analiz moleküler yapı. O zamandan bu yana NMR, katıların, sıvıların ve gazların kinetik ve yapısal çalışmalarında uygulama alanı buldu ve bunun sonucunda 6 Nobel Ödülü verildi.

Spin ve manyetik özellikler

Çekirdek şunlardan oluşur: temel parçacıklar nötron ve proton denir. Spin adı verilen kendi açısal momentumları vardır. Elektronlar gibi, bir çekirdeğin dönüşü de kuantum sayıları I ve manyetik alan m ile tanımlanabilir. Atom çekirdeğiçift ​​sayıda proton ve nötronun spini sıfırdır ve diğerlerinin spini sıfırdan farklıdır. Ayrıca spini sıfır olmayan moleküllerin manyetik momenti μ = γ'dır. BEN, burada γ jiromanyetik orandır, manyetikler arasındaki orantı sabitidir. dipol momenti ve açısaldır, her atom için farklıdır.

Çekirdeğin manyetik momenti, onun küçük bir mıknatıs gibi davranmasına neden olur. Harici bir manyetik alanın yokluğunda, her mıknatıs rastgele yönlendirilir. Bir NMR deneyi sırasında numune, düşük enerjili çubuk mıknatısların B0 yönünde ve yüksek enerjili çubuk mıknatısların ters yönde hizalanmasına neden olan harici bir B0 manyetik alanına yerleştirilir. Bu durumda mıknatısların dönüş yönünde bir değişiklik meydana gelir. Oldukça soyut olan bu kavramı anlamak için, NMR deneyi sırasında çekirdeğin enerji seviyelerinin dikkate alınması gerekir.

Enerji seviyeleri

Dönüşü tersine çevirmek için tam sayıda bir kuantum gereklidir. Herhangi bir m için 2m + 1 enerji seviyesi vardır. 1/2 spinli bir çekirdek için yalnızca 2 tane vardır; düşük bir çekirdek, B0 ile hizalanmış spinler tarafından işgal edilir ve yüksek bir çekirdek, B0'a karşı hizalanmış spinler tarafından doldurulur. Her enerji seviyesi E = -mℏγB 0 ifadesiyle belirlenir; burada m manyetiktir kuantum sayısı, bu durumda +/- 1/2. Dört kutuplu çekirdekler olarak bilinen m > 1/2 için enerji seviyeleri daha karmaşıktır.

Seviyeler arasındaki enerji farkı şuna eşittir: ΔE = ℏγB 0, burada ℏ Planck sabitidir.

Görüldüğü gibi, manyetik alanın gücü büyük önem taşıyor çünkü yokluğunda seviyeler bozuluyor.

Enerji geçişleri

Nükleer manyetik rezonansın oluşması için enerji seviyeleri arasında bir dönüş değişiminin meydana gelmesi gerekir. İki durum arasındaki enerji farkı, çekirdeğin enerji seviyelerini değiştirmesine neden olan elektromanyetik radyasyonun enerjisine karşılık gelir. Çoğu için NMR spektrometreleri B 0 1 Tesla (T) düzeyindedir ve γ 10 7 düzeyindedir. Bu nedenle gerekli elektromanyetik radyasyon 10 7 Hz mertebesindedir. Bir fotonun enerjisi E = hν formülüyle temsil edilir. Bu nedenle soğurma için gereken frekans: ν= γB 0 /2π.

Nükleer koruma

NMR'nin fiziği, maddenin yapısının belirlenmesine olanak sağlayan nükleer koruma kavramına dayanmaktadır. Her atom, çekirdeğin etrafında dönen ve onun manyetik alanına etki eden elektronlarla çevrilidir. küçük değişiklikler enerji seviyeleri. Buna kalkanlama denir. Yerel elektronik etkileşimlerle ilişkili farklı manyetik alanlar yaşayan çekirdeklere eşdeğer olmayan çekirdekler denir. Enerji düzeylerini dönüşe çevirmek için değiştirmek, NMR spektrumunda yeni bir tepe noktası oluşturan farklı bir frekans gerektirir. Tarama, Fourier dönüşümü kullanılarak NMR sinyalinin analiz edilmesiyle moleküllerin yapısal belirlenmesine olanak sağlar. Sonuç, her biri farklı bir kimyasal ortama karşılık gelen bir dizi tepe noktasından oluşan bir spektrumdur. Pik alanı çekirdek sayısıyla doğru orantılıdır. Detaylı yapı bilgisi şu şekilde çıkarılır: NMR etkileşimleri Spektrumu farklı şekillerde değiştirerek.

Gevşeme

Gevşeme, çekirdeklerin eski haline dönmesi olgusunu ifade eder. termodinamik olarak Daha yüksek enerji seviyelerine uyarıldıktan sonra stabil olan durumlar. Bu, daha düşük bir seviyeden daha yüksek bir seviyeye geçiş sırasında emilen enerjiyi serbest bırakır. Çok güzel karmaşık süreç, farklı zaman dilimlerinde gerçekleşir. En çok iki yaygın Gevşeme türleri spin-kafes ve spin-spindir.

Gevşemeyi anlamak için modelin tamamını dikkate almak gerekir. Çekirdekler harici bir manyetik alana yerleştirilirse, Z ekseni boyunca hacimsel mıknatıslanma yaratacaklardır. Spinleri de tutarlıdır ve sinyalin tespit edilmesine olanak sağlar. NMR toplu mıknatıslanmayı Z ekseninden göründüğü XY düzlemine kaydırır.

Spin-kafes gevşemesi, Z ekseni boyunca hacim mıknatıslanmasının %37'sini eski haline getirmek için gereken T1 süresi ile karakterize edilir. daha verimli süreç gevşeme, daha az T 1. Katılarda moleküller arası hareket sınırlı olduğundan gevşeme süresi uzundur. Ölçümler genellikle darbeli yöntemler kullanılarak gerçekleştirilir.

Spin-spin gevşemesi, karşılıklı tutarlılık süresi T2'nin kaybıyla karakterize edilir. T1'den küçük veya ona eşit olabilir.

Nükleer manyetik rezonans ve uygulamaları

NMR'ın son derece önemli olduğu iki ana alan tıp ve kimyadır ancak her gün yeni uygulamalar geliştirilmektedir.

Daha yaygın olarak manyetik rezonans görüntüleme (MRI) olarak bilinen nükleer manyetik rezonans görüntüleme, önemli tıbbi teşhis aracı, fonksiyon ve yapıyı incelemek için kullanılır insan vücudu. Yumuşak dokular başta olmak üzere herhangi bir organın mümkün olan tüm düzlemlerde detaylı görüntülerini elde etmenizi sağlar. Kardiyovasküler, nörolojik, kas-iskelet sistemi ve onkoloji görüntüleme alanlarında kullanılır. Alternatif bilgisayarlı tomografinin aksine, manyetik rezonans görüntüleme şunları kullanmaz: iyonlaştırıcı radyasyon bu nedenle tamamen güvenlidir.

MRI, zaman içinde meydana gelen ince değişiklikleri tespit edebilir. NMR introskopisi, hastalığın seyri sırasında ortaya çıkan yapısal anormallikleri, bunların sonraki gelişimi nasıl etkilediğini ve ilerlemelerinin zihinsel ve zihinsel gelişimle nasıl ilişkili olduğunu tanımlamak için kullanılabilir. duygusal yönler bozukluklar. MR kemiği iyi görüntülemediği için intrakranial ve intrakranial bölgenin mükemmel görüntülerini sağlar. intravertebral içerik.

Teşhiste nükleer manyetik rezonans kullanmanın ilkeleri

MRI prosedürü sırasında hasta büyük, içi boş silindirik bir mıknatısın içinde yatar ve güçlü, sürekli bir manyetik alana maruz kalır. Vücudun taranan kısmındaki farklı atomlar, farklı alan frekanslarında rezonansa girer. MRI öncelikle küçük bir proton çekirdeğine sahip olan hidrojen atomlarının titreşimlerini tespit etmek için kullanılır. manyetik alan. MRI'da, arka plandaki bir manyetik alan dokudaki tüm hidrojen atomlarını sıralar. Arka plan alanından farklı yönlendirilmiş ikinci bir manyetik alan, saniyede birçok kez açılıp kapanıyor. Belirli bir frekansta atomlar rezonansa girer ve ikinci alanla aynı hizaya gelir. Kapandığında atomlar arka planla aynı hizada geri döner. Bu, alınabilecek ve görüntüye dönüştürülebilecek bir sinyal oluşturur.

İnsan vücudunda suyun bir parçası olarak bulunan büyük miktarda hidrojen içeren dokular parlak bir görüntü oluşturur ve çok az veya hiç hidrojen içeriği olmayanlar (örneğin kemikler) koyu görünürler. MR'ın parlaklığı, hastaların işlemden önce aldığı gadodiamid gibi bir kontrast maddeyle artırılır. Bu ajanlar görüntü kalitesini iyileştirebilse de işlemin hassasiyeti nispeten sınırlıdır. MR'ın duyarlılığını artıracak yöntemler geliştirilmektedir. En umut verici olanı, manyetik alanlara çok duyarlı, benzersiz moleküler spin özelliklerine sahip bir hidrojen formu olan parahidrojenin kullanılmasıdır.

MRI'da kullanılan manyetik alanların özelliklerindeki gelişmeler, çok spesifik doku özelliklerini görüntülemek için tasarlanmış difüzyon ve fonksiyonel MRI gibi oldukça hassas görüntüleme tekniklerinin geliştirilmesine yol açmıştır. Ek olarak, kanın hareketini görüntülemek için manyetik rezonans anjiyografi adı verilen benzersiz bir MRI teknolojisi türü kullanılır. İğnelere, kateterlere veya kontrast maddelere ihtiyaç duymadan arterleri ve damarları görüntülemenizi sağlar. MRI'da olduğu gibi, bu teknikler biyomedikal araştırma ve teşhiste devrim yaratmaya yardımcı oldu.

Gelişmiş bilgisayar teknolojisi radyologların, MRI tarayıcıları tarafından elde edilen dijital bölümlerden, hasarın tam yerini belirlemeye yarayan üç boyutlu hologramlar oluşturmasına olanak sağladı. Tomografi özellikle beyin ve omuriliğin yanı sıra mesane ve süngerimsi kemik gibi pelvik organların incelenmesinde değerlidir. Yöntem, tümör hasarının boyutunu hızlı ve net bir şekilde belirleyebiliyor ve felçten kaynaklanan potansiyel hasarı değerlendirebiliyor ve doktorların uygun tedaviyi zamanında reçete etmesine olanak tanıyor. MRI, büyük ölçüde, kıkırdak veya bağ hasarını görselleştirmek için eklem içine kontrast madde enjekte etme ihtiyacı olan artrografinin ve omurilik veya intervertebral disk anormalliklerini görselleştirmek için omurilik kanalına kontrast madde enjeksiyonu olan miyelografinin yerini almıştır.

Kimyada uygulama

Günümüzde birçok laboratuvar, önemli kimyasal ve biyolojik bileşiklerin yapılarını belirlemek için nükleer manyetik rezonansı kullanmaktadır. NMR spektrumlarında farklı tepe noktaları, spesifik kimyasal ortam ve atomlar arasındaki bağlar hakkında bilgi sağlar. En yaygın Manyetik rezonans sinyallerini tespit etmek için kullanılan izotoplar 1 H ve 13 C'dir, ancak 2 H, 3 He, 15 N, 19 F vb. gibi pek çok izotop da uygundur.

Modern NMR spektroskopisi biyomoleküler sistemlerde ve oyunlarda geniş uygulama alanı bulmuştur. önemli rol yapısal biyolojide. Metodolojinin ve cihazların gelişmesiyle birlikte NMR, biyomakromoleküllerin analizi için en güçlü ve çok yönlü spektroskopik yöntemlerden biri haline geldi; bu, bunların ve boyutları 100 kDa'ya kadar olan komplekslerinin karakterizasyonuna olanak tanıyor. X-ışını kristalografisi ile birlikte bu Yapılarını belirlemek için önde gelen iki teknolojiden biri atom düzeyinde. Ayrıca NMR benzersiz ve önemli bilgi Gelişimde önemli rol oynayan proteinin fonksiyonları hakkında ilaçlar. Bazı kullanımlar NMR spektroskopisi aşağıda verilmiştir.

• Bu tek yöntem biyomakromoleküllerin atomik yapısının belirlenmesi sulu çözeltiler yakın fizyolojik koşullar veya membranı taklit eden ortamlar.
• Moleküler dinamik. Bu en güçlüsü yöntem nicelik belirleme biyomakromoleküllerin dinamik özellikleri.
• Protein katlanması. NMR spektroskopisi Katlanmamış proteinlerin ve katlanma aracılarının kalıntı yapılarını belirlemek için en güçlü araçtır.
• İyonlaşma durumu. Yöntem belirlemede etkilidir. kimyasal özellikler fonksiyonel gruplar iyonlaşma gibi biyomakromoleküllerde enzimlerin aktif bölgelerinin iyonlaşabilen gruplarının durumları.
• Nükleer manyetik rezonans, diğer yöntemler kullanılarak yapılamayan, makrobiyomoleküller arasındaki (örneğin, mikromolar ve milimolar aralıklarda ayrışma sabitleri ile) zayıf fonksiyonel etkileşimlerin incelenmesine olanak tanır.
• Protein hidrasyonu. NMR tespit etmek için bir araçtır iç su ve biyomakromoleküllerle etkileşimleri.
• Bu benzersiz doğrudan etkileşim tespit yöntemi hidrojen bağları.
• Tarama ve ilaç geliştirme. Özellikle nükleer manyetik rezonans, ilaçların tanımlanmasında ve enzimler, reseptörler ve diğer proteinlerle ilişkili bileşiklerin konformasyonlarının belirlenmesinde özellikle faydalıdır.
• Yerli membran proteini. Katı hal NMR'nin potansiyeli var membran protein alanlarının atomik yapılarının belirlenmesi bağlı ligandlar da dahil olmak üzere doğal membran ortamında.
• Metabolik analiz.
• Kimyasal analiz. Sentetik ve doğal kimyasalların kimyasal tanımlanması ve konformasyonel analizi.
• Malzeme Bilimi. Güçlü araç Polimer kimyası ve fiziği çalışmalarında.

Diğer Uygulamalar

Nükleer manyetik rezonans ve uygulamaları tıp ve kimya ile sınırlı değildir. Yöntemin iklim testi, petrol endüstrisi, proses kontrolü, Dünya alanı NMR'si ve manyetometreler gibi diğer alanlarda çok faydalı olduğu kanıtlanmıştır. Tahribatsız muayene, daha fazla teste ihtiyaç duyulduğunda yeniden kullanılabilen pahalı biyolojik numunelerden tasarruf sağlar. Jeolojide nükleer manyetik rezonans, kayaların gözenekliliğini ve yeraltı sıvılarının geçirgenliğini ölçmek için kullanılır. Manyetometreler çeşitli manyetik alanları ölçmek için kullanılır.