Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego
advertisement
Nuclear Magnetic ResonanceResonance (NMR) Magnetyczny Rezonans Jądrowy (MRJ) Magnetyczny: Rezonans: Jądrowy: pole magnetyczne niezbędne do zróżnicowania stanów energetycznych; absorpcja promieniowania elektromagnetycznego o określonej długości fali; obserwacja jąder atomów. NMR -- absorpcja promieniowania elektromagnetycznego o częstotliwości radiowej (~100-1000 MHz dla protonów) przez jądra atomów znajdujące się w polu magnetycznym, a następnie emisja promieniowania elektromagnetycznego powstającego w wyniku relaksacji, czyli „powrotu jąder” do stanu równowagi termodynamicznej… Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego NMR jest możliwy dzięki istnieniu spinu. Spin - w dużym uproszczeniu - rotacja wokół osi – podstawowa właściwość cząstek, taka jak masa, czy ładunek elektryczny. Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Elektrony, protony i neutrony mają spin I=½ lub I= – ½ (I – liczba spinowa). Spin - własny moment pędu cząstki w układzie, w którym nie wykonuje ruchu postępowego Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Cząstki obdarzone spinem i ładunkiem elektrycznym ≠ 0 wytwarzają wokół siebie słabe pole magnetyczne. Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Tylko jądra z liczbą spinową I≠0 mogą być obserwowane w NMR Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Do czego potrzebne jest pole magnetyczne ? Bez zewnętrznego pola magnetycznego odległości pomiędzy poziomami, które chcemy badać są zdegenerowane – czyli mają taką sama energię. Próbkę należy umieścić w silnym polu magnetycznym, aby spowodować „rozszczepienie” (powstanie) odpowiednich poziomów energetycznych Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego WPŁYW POLA MAGNETYCZNEGO B Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Orientacja jąder w zewnętrznym polu magnetycznym zależy od liczby magnetycznej Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Graficzna zależność pomiędzy natężeniem pola magnetycznego a częstotliwością promieniowania absorbowaną przez protony Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Częstość precesji (częstość Larmor’a): μ=γ Bo/2π Podstawy Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Promieniowanie o częstości Larmor’a powoduje przejście nadmiaru spinów ze stanu podstawowego w stan wzbudzony Zastosowanie Magnetycznego Rezonansu Jądrowego Widma 1H BD MAS NMR (νMAS=30 kHz) oraz 31P-> 1H CP MAS NMR (νMAS=7 kHz) dla hydroksyapatytu syntetycznego, szkliwa oraz zębiny ludzkiej. Relaksacja podłużna i poprzeczna Relaksacja podłużna i poprzeczna dla różnych tkanek Obrazy NMR WPŁYW PRZYSPIESZEŃ I ZMIAN CIŚNIENIA NA ORGANIZM CZŁOWIEKA WPŁYW PRZYSPIESZEŃ NA ORGANIZM WPŁYW PRZYSPIESZEŃ NA ORGANIZM WPŁYW PRZYSPIESZEŃ NA ORGANIZM Alarmowe zatrzymanie windy Lądowanie na spadochronie Katapultowanie z samolotu Zderzenie samochodu możliwe do przeżycia Człowiek wytrzymuje: 3g do 3600 s; 4g do 1200 s; 5g do 480 s; 8g do kilku s; -3g około 30 s; -4,5g około 5 s; -5g około 2 s; -10g mniej niż 1s. 3,5 g – podczas kaszlu 2,9 g – podczas kichania a = 2,5g; a = 3-4g; a = 10-15g; a = 20-100g; t = 1s, t = 0,1-0,2s, t = 0,25s, t = 0,1s. WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM wzrost głębokości wzrost ciśnienia wzrost rozpuszczalności gazu w cieczy (prawo Henry'ego) spadek głębokości spadek ciśnienia spadek rozpuszczalności gazu w cieczy (prawo Henry'ego) przesycenie!!! wytrącanie się pęcherzyków gazu!!! AZOT - N2 WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Objawy narkozy azotowej 30-45 m -wzmożona pewność siebie, euforia, trudność w różnicowaniu zjawisk, możemy podejmować błędne decyzje, 45-60 m - trudności w koncentracji, zwolnienie reakcji na bodźce, zaburzenia koordynacji ruchowej >70 m - brak koordynacji ruchowej, utrata przytomności – nie jesteśmy w stanie wykonywać nawet najprostszych czynności. Prawo Martini Każde 10m poniżej głębokości 30m, to jedna lamka Martini (1/2 szklanki) WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Zatrucie tlenem Tlen pod zwiększonym ciśnieniem parcjalnym jest toksyczny. Następuje zatrucie organizmu powodujące konwulsje podobne do napadu epilepsji co w wodzie prowadzi do utonięcia Dopuszczalne ciśnienie parcjalne tlenu 1,4 atmosfery WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Ebulizacja - wrzenie płynów ustrojowych na wysokości powyżej 10 000 m WPŁYW CIŚNIENIA NA ORGANIZM Niedobór tlenu w organizmie człowieka na skutek obniżenia ciśnienia cząstkowego tlenu w organizmie Oddziaływanie prądu elektrycznego i pól elektromagnetycznych na organizm człowieka PRĄD ELEKTRYCZNY Prąd elektryczny – jest to uporządkowany ruch ładunków elektrycznych. Prąd płynie w gazach cieczach i ciałach stałych. W gazach i cieczach przepływ prądu polega na równoczesnym i uporządkowanym ruchu ładunków dodatnich i ujemnych. W ciałach stałych poruszają się elektrony pochodzące z powłok walencyjnych zwane elektronami swobodnymi. PRĄD ELEKTRYCZNY • R - oznacza współczynnik proporcjonalności zwany oporem elektrycznym (rezystancją). • 1Ω = 1V/1A. • Opór przewodnika równa się 1 omowi, jeżeli niezmienne napięcie równe 1 woltowi istniejące na końcach przewodnika wywołuje w nim prąd o natężeniu 1 ampera. • Opór przewodnika R o długości l, powierzchni przekroju S i oporze właściwym ρ jest równy: R = ρ l/S PODSTAWOWE PRAWA PRZEPŁYWU PRĄDU ELEKTRYCZNEGO Prawo Ohma Pierwsze prawo Kirchhoffa Drugie prawo Kirchhoffa gdzie – wartość chwilowa sem k-tego źródła; – napięcie na i-tym elemencie oczka PRĄD PRZEMIENNY Prąd przemienny – charakterystyczny przypadek prądu elektrycznego okresowo zmiennego, w którym wartości chwilowe podlegają zmianom w powtarzalny, okresowy sposób, z określoną częstotliwością. PRĄD PRZEMIENNY Źródło napięcia, w którym siła elektromotoryczna zmienia się sinusoidalnie, nazywamy źródłem napięcia przemiennego. W Europie f = 50 Hz, Em = 230 V Im I sk 2 Um U sk 2 PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Wartości prądu rażeniowego przy porażeniach napięciem 220 V człowieka o rezystancji ciała Rcz=2k (wilgotny naskórek). PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Objawy działania prądu przemiennego 50 – 60 Hz na człowieka przy przepływie na drodze ręka – ręka lub noga – ręka. Wartość skuteczna prądu [mA] 0 – 0,5 Prąd niewyczuwalny 0,6 – 1,6 Prąd wyraźnie wyczuwalny (swędzenie łaskotanie) 1,6 – 3,5 Cierpnięcie dłoni i przegubów, lekkie sztywnienie rąk 3,5 – 15 Silne sztywnienie rąk, ból przedramion, skurcze dłoni i drżenie rąk; przy wzroście wartości prądu coraz silniejsze skurcze mięśni palców i ramion, zaciskanie się rąk obejmujących przedmiot i niemożność samodzielnego oderwania się 15 – 25 Niekontrolowane skurcze, utrudniony oddech, wzrost ciśnienia krwi; prąd nie powoduje groźnych następstw przy czasie przepływu nie dłuższym niż kilkanaście sekund 25 – 50 Bardzo silne skurcze mięśni rak i klatki piersiowej; nieregularność pracy serca, przy dłuższym działaniu prądu w górnym zakresie – migotanie komór sercowych 50 – 70 Migotanie komór sercowych, porażenie mięśni oddechowych, przy dłuższym działaniu śmierć przez uduszenie > 70 Przy dłuższym działaniu zwykle kończy się śmiercią PORAŻENIA PRĄDEM ELEKTRYCZNYM Najbardziej niebezpieczny jest dla człowieka prąd przemienny o częstotliwości 50 – 60 Hz Stwierdzono, że ludzie są mniej wrażliwi na działanie prądu stałego niż przemiennego. Dotyczy to natężeń do 20 mA Przy prądzie przemiennym 50 – 60 Hz wyprostowanie palców i samodzielne oderwanie ich od przewodu możliwe jest przy natężeniu prądu: dla kobiet ≤ 10,5 mA, dla mężczyzn ≤ 16 mA DYSPERSJA PRZENIKALNOŚCI I PRZEWODNOŚCI ELEKTRYCZNEJ Błona komórkowa – izolator Przewodność – 10-4 – 10-6 Ω-1m-1 (S/m) Przenikalność – 5 – 6 F/m Pojemność dielektryczna – 1 μF/cm3 Cytoplazma – elektrolit Swobodne ładunki (jony) Makrocząsteczki (osłabienie pola zewnętrznego, hamowanie hydrodynamiczne - Dyspersja α – (kilka Hz do kilku kHz) proces ładowania i rozładowywania na błonach -Dyspersja β – (kilka kHz do 30 MHz) wynika z niejednorodnej struktury tkanki -Dyspersja γ – (100 – 1000 MHz) wynika z relaksacji dipolowej struktur subkomórkowych i makrocząsteczek ODDZIAŁYWANIE PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH • Pola elektromagnetyczne powstają: wokół stacji nadawczych radiowych i TV, radarów, urządzeń przemysłowych, zgrzewarek, pieców indukcyjnych, silników, telewizorów… • Długotrwałe przebywanie powoduje: bóle i zawroty głowy, zaburzenia snu, zaburzenia pamięci, dolegliwości sercowe, szybkie męczenie, choroby oczu (zaćma). POLE ELEKTROMAGNETYCZNE Pole elektromagnetyczne - pole fizyczne, stan przestrzeni w której na obiekt fizyczny mający ładunek elektryczny działają siły o naturze elektromagnetycznej. Pole elektromagnetyczne jest układem dwóch pól: pola elektrycznego i pola magnetycznego. Pola te są wzajemnie związane a postrzeganie ich zależy też od obserwatora, wzajemną relację pól opisują równania Maxwella. Własności pola elektromagnetycznego, jego oddziaływanie z materią bada dział fizyki zwany elektrodynamiką. POLE ELEKTROMAGNETYCZNE Fala elektromagnetyczna Oddziaływanie pól elektromagnetycznych • Istnienie pól magnetycznych jest traktowane jako objaw wtórny, jako skutek ruchu ładunków elektrycznych. • Ziemia jest wielkim magnesem. • Indukcję magnetyczną B definiuje się wykorzystując siłę oddziaływania pola magnetycznego na poruszający się ładunek próbny q0: • F = q0(v x B) • B = Fmax/q0v [T] SIŁA LORENTZA Siłę jaka działa na ładunek elektryczny w polu elektromagnetycznym określa siła Lorentza: gdzie: •F - siła (w niutonach) •E – natężenie pola elektrycznego (w woltach / metr) V/m •B - indukcja magnetyczna (w teslach) T •q – ładunek elektryczny cząstki (w kulombach) Q •v – prędkość cząstki (w metrach na sekundę) m/s •× - iloczyn wektorowy. B = Fmax/q0v [T] Indukcja magnetyczna • • • • • • 1T - duża jednostka [N/Am] 10 T - uzyskuje się w laboratoriach 100 T – bardzo krótko B = 10-4T – na powierzchni Ziemi Prąd 100 mA w odległości 1 cm B = 2·10-3 T Układ nerwowy w okolicy klatki piersiowej B = 10-11 T Między indukcją magnetyczną B (Tesla) a natężeniem pola magnetycznego H (A/m) zachodzi relacja: B=µH µ – przenikalność magnetyczna ośrodka, wyrażona w henrach na metr. Przenikalność magnetyczna bezwzględna próżni µ0 EFEKT TERMICZNY • Efekty termiczne – część energii jest pochłonięta i zamieniona na ciepło. Progowa gęstość mocy wynosi około 10mW/cm2.. • Ze wzrostem długości fali wartości te wyraźnie wzrastają co wiąże się z zależnością współczynnika pochłaniania energii elektromagnetycznej od częstotliwości. Ciepło powstające w tkankach pod wpływem pola elektromagnetycznego wytwarzane jest w dwóch procesach: -przepływu nośników ładunku przez ośrodek o pewnym oporze -obrotu dipoli cząsteczkowych w ośrodku lepkim METODY OCHRONY • Bierne: organizacja pracy, automatyzacja, skracanie czasu pracy, zakaz pracy poniżej 18 l., kobiet w ciąży, okresowe badania lekarskie. • Czynne: Ekranowanie za pomocą blach, siatek, anteny, odzież ochronna konstrukcja urządzeń. • Widmo fal elektromagnetycznych dzieli się na cztery zakresy – w zależności od częstotliwości i dla każdego zakresu określa się dopuszczalny czas przebywania w zależności od występującego w danej strefie natężenia METODY OCHRONY W dziedzinie ochrony przed promieniowaniem elektromagnetycznym stosuje się podział widma na następujące zakresy częstotliwości: do 0.1 MHz 0.1 - 30 MHz 30 - 300 MHz 300 MHz - 300 GHz strefa pola bezpiecznego, w której dowolnie długie przebywanie uważa się za nieszkodliwe - do 1 V/m, strefa pola pośredniego – przebywanie w niej wymaga okresowej kontroli lekarskiej - 1 - 10 V/m, strefa pola szkodliwego – dopuszcza się przebywanie w ograniczonym czasie 10 - 1000 V/m, strefa pola niebezpiecznego, w której przebywanie jest zabronione - powyżej 1000 V/m. METODY OCHRONY BEZPIECZNY CZAS PRZEBYWANIA W POLU ELEKTROMAGNETYCZNYM Dla zakresu częstotliwości 0.1 - 30 MHz należy podzielić liczbę 80 przez zmierzoną wartość natężenia pola (w woltach na metr ). Do wykonania pomiaru natężenia pola potrzebny jest specjalistyczny skalowany przyrząd. DOPUSZCZALNE POZIOMY PÓL ELEKTROMAGNETYCZNYCH W MIEJSCACH DOSTEPNYCH DLA LUDNOŚCI Składowa Składowa Zakres częstotliwości pola elektromagnetycznego elektryczna magnetyczna 1 0 Hz 10 kV/m 2.500 A/m 2 od 0 Hz do 0,5 Hz - 2.500 A/m 3 od 0,5 Hz do 50 Hz 10 kV/m 60 A/m 4 od 0,05 kHz do 1 kHz - 3 A/m 5 od 0,001 MHz do 3 MHz 20 V/m 3 A/m 6 od 3 MHz do 300 MHz 7 V/m - 7 od 300 MHz do 300 GHz 7 V/m - DIATERMIA • Efekty termiczne w tkankach wywołane przepływem prądów wysokiej częstotliwości są wykorzystywane w praktyce medycznej jako diatermia. • Obecnie prawie wyłącznie stosowane są aparaty krótkofalowe i mikrofalowe. • Zastosowanie diatermii: przewlekłe stany zapalne mięśni, tkanki łącznej, stawów i nerwów. DIATERMIA Diatermia krótkofalowa Przegrzanie tkanek pod wpływem pola elektrycznego lub pola magnetycznego o wysokiej częstotliwości w celu uzyskania rozluźnienia mięśni. Diatermia nie uszkadza tkanek. Wyróżnia się w niej dwie metody: kondensatorową indukcyjną Diatermia kondensatorowa -wykorzystuje do nagrzania tkanek pole elektryczne Nagrzewa ona głównie tkanki płytko położone takie jak tkanka tłuszczowa. Diatermia indukcyjna -wykorzystuje do nagrzania tkanek pole magnetyczne, wokół którego zgodnie z prawami Maxwella powstaje wirowe pole elektryczne nagrzewające głównie głęboko położone takie jak mięśnie. DIATERMIA Częstotliwość generowana: 27,12 MHz Emisja: ciągła i pulsacyjna, Moc wyjściowa: Zakresy 0 - 400 W emisja ciągła, 0 - 1000 W emisja pulsacyjna, Czas trwania pulsu: 400 mikrosekund DIATERMIA Diatermia mikrofalowa diatermia, w której wykorzystuje się pole elektromagnetyczne o częstotliwości 0,3–3,0 GHz; Z powodu płytkiego wnikania mikrofal w głąb tkanek wskazania obejmują głównie wybrane choroby laryngologiczne i skóry. Diatermie mikrofalową stosuje się w onkologii. ROZKŁAD TEMPERATURY W TKANKACH DIATERMIA Diatermia chirurgiczna służy do cięcia i koagulacji tkanek, stosowana m.in. w chirurgii plastycznej i dermatologii (częstotliwość ok. 0,5-1,75 MHz, moce rzędu 100-300 W)
