История открытия ядерно-магнитного резонанса ЯМР и развития ЯМР-томографии

Блох в Стэнфорде реализовал с помощью своих коллег идею так называемой ядерной индукции, непосредственно подсказанную (как нам кажется) теоремой Лармора и уравнением электромагнитной индукции по Фарадею. Помимо идеи эксперимента (блоховские (скрещенные) катушки), Блоху принадлежит наиболее известная модификация уравнений динамики макроскопического магнитного момента — уравнения Блоха. Открытие ЯМР завершило базовую стадию формирования представлений и методов магнитного резонанса. Условную схему развития последних — от амперовских молекулярных токов, через теорию статической намагниченности, эффектов Лармора, Зеемана и Штерна, создание основ теории спиновых систем к опытам по резонансу в сплошных средах.

Развитие исследований магнитных резонансов постепенно встало на путь изучения взаимодействий спинов между собой и с веществом. В течение пяти лет после открытия ЯМР наблюдался ЯМР 83 изотопов многих элементов таблицы Менделеева. За эти годы командой Блоха и командой Бломбергена - Пёрселла – Паунда были установлены основные закономерности релаксационных процессов в жидкостях.

Первым в СССР о наблюдении ЯМР в 1947 г. сообщил К.В. Владимирский. Были открыты (У. Диккинсон, У. Проктор, Дж. Циммерман, Х. Гутовский, Ч. Сликтер, Э. Эндрю и др.) эффекты экранирования ядерных моментов электронными оболочками и обусловленные ими эффекты химического сдвига (ХС) и скалярные косвенные спин-спиновые взаимодействия (КССВ), обусловленные взаимной поляризацией спинов ядер различных атомов одной и той же молекулы через общие молекулярные орбитали.

ЯМР всерьёз заинтересовал химиков, и по инициативе Дж. Шулери, П. Арнольда и др. американская фирма "Varian" (Пало Альто, штат Калифорния, названная по имени Рассела и Сигурда Варианов) приступила к выпуску коммерческих спектрометров ЯМР. Квантово-химические теории ХС и КССВ, начало которых было положено Н. Рэмси и продолжено исследованиями Дж. Попла и Ф. Сантри и др. положили начало ряду новых весьма эффективных направлений в теории строения молекул, которые сделали к настоящему времени возможной интерпретацию спектров ЯМР.

 

1.4. История создания магнитно резонансной томографии МРТ

 

Первые прототипы аппаратов Магнитного Резонанса были собраны в 60-х годах прошлого века.

В 1973 году учёный Пол Лотербюр продемонстрировал первые изображения полученные посредством Магнитного Резонанса.

В 1977 году Сэр Питер Мансфилд первый получил клинические изображения полученные с помощью Магнитного Резонанса используя градиенты магнитного поля и выработал технику Магнитного Резонанса EPI (echo-planar imaging) которая является первым сверхбыстрым методом Магнитного Резонанса используемым по сей день. За их вклад в развитии Магнитного Резонанса в области Медицинской Визуализации Пол Лотербюр и Сэр Питер Мансфилд в 2003 году получили Нобелевскую Премию в области Медицины и Физиологии.

SIEMENS один из первых мировых производителей аппаратов Магнитного Резонанса. Уже в конце 70-х годов прошлого века SIEMENS установил в клинических больницах аппараты Магнитного Резонанса с силой магнитного поля в 0.2Тл.

 

Условное схематическое изображение  того, как изменялись теории при изучении магнитного резонанса, какие методы накладываясь подталкивали к осуществлению новых и тд представлено на рис.1 

2. Актуальные направления исследований и применений ЯМР в современном естествознании, медицине и технике

Прикладной уклон в развитии физики магнитного резонанса очевиден. В ресурсе Интернета ScienceDirect в общий список 2005 г. из 25 наиболее цитируемых за последний квартал текущего года научных статей по физике вошли и две статьи по применениям магнитного резонанса. Имеется несколько специализированных журналов по магнитному резонансу. Выбор актуальных направлений, разумеется, субъективен, но во многом совпадает с тематикой последних (2006 -2008 гг.) конгрессов Euromar.

Все известные возможности для дальнейшего развития методов магнитного резонанса и их применений сегодня эффективно используются. Исследования систем с ограниченным, но значительным числом спинов (TVs = 10 — 100), касающиеся проблем эргодичности и поиска грани между динамическими и статистическими задачами, имеют выход на проблемы квантового компьютинга. Важные выводы можно получить из исследований многоквантовой когерентности в таких системах Э.Б. Фельдмана. Интригует исследователей и грань между группой взаимодействующих спинов (обменным кластером или молекулярным магнитом) и ферромагнитным (антиферромагнитным) домено.. Развиваются исследования магнитного резонанса коллективных возбуждений многоспиновых низкоразмерных систем (спиновые жидкости) в зависимости от температуры и магнитного поля .

Исследования спиновой диффузии, релаксации и контура спектральной линии в разупорядоченных спиновых системах проводятся, например, Ф.С. Джепаровым.

Совершенствование методов МРИ, начало которым положили работы 1970-х годов, и их широкое освоение в практической медицине продолжается. В мире работают несколько тысяч медицинских магниторезо-нансных (ЯМР) томографов, улучшаются разрешение, чувствительность, развиваются методы контрастирования изображения. Тенденцией последнего времени является переход к более высоким поляризующим полям для томографов — от 0,5 Тл до 4,0 Тл и даже до 7,0 Тл, что увеличивает чувствительность, сокращает время экспозиции и, как показал опыт, не представляет собой угрозы для здоровья пациентов. Повышение поляризующего поля позволяет получать всё больший объём информации о состоянии организма. Важным достижением методик МРИ является освоение способов практически полного элиминирования ЯМР-отклика на сигналы от "неинформативных" структур (например, элиминирование более медленно релаксирующих сигналов свободной воды и жировых тканей в головном мозге) при сохранении информации о функционально важных структурах. Эти методики основаны на манипулировании интенсивностями сигналов посредством импульсных резонансных воздействий и путём выбора момента наблюдения более быстро релаксирующего "полезного" сигнала, совпадающего по времени с прохождением маскирующих сигналов через нулевые значения в процессе релаксации . Арсенал технологий МРИ непрерывно расширяется. Этот метод стал незаменимым в клинической практике для диагностики патологий мягких тканей.

 

Заключение

В задачу данной работы входило показать общность исторических корней и методологических принципов различных направлений магнитного резонанса и их тесную связь с достижениями техники и естествознания в целом. От смутных догадок о природе магнетизма в конце XIX -начале ХХ вв. физика пришла к открытиям и теоретическим объяснениям спиновых эффектов, в том числе эффектов магнитного резонанса. Магнитный резонанс лёг в основу комплекса методов исследования физики спиновых систем и комплекса прикладных методов в самых различных областях. За более детальным ознакомлением с отдельными проблемами магнитного резонанса мы отсылаем читателя к цитированным выше статьям, обзорам и монографиям, а также к не цитированным нами многочисленным обзорным статьям в УФН.

Методы магнитного резонанса показали свою способность "вызревать" к тому моменту, когда в них возникает насущная необходимость. Их совершенствование продолжается, и пути этого совершенствования утвердились или намечаются. Напомним главнейшие из них.

Увеличение напряжённости (индукции) поляризующего поля для большинства методов остаётся перспективным направлением повышения чувствительности и разрешающей способности (информативности). Индукция сверхпроводящих соленоидов достигла величины порядка 25 Тл в ЯМР и порядка 30-40 Тл в ЭПР. В медицинской ЯМР-интроскопии повышение поля реализуется с осторожностью (пока до 7,5 Тл), принимая во внимание безопасность пациента. Ограничения на величину достигаемой индукции сверхпроводящего соленоида связаны главным образом с конечным значением критического магнитного поля для применяемого сверхпроводника и в какой-то мере с техническими решениями, обеспечивающими минимизацию поля рассеяния вне соленоида и неоднородности поля в объёме образца. Несомненно, что здесь имеются резервы роста. В то же время в сильных полях нужно учитывать ориентацию полем анизотропных диамагнитных и парамагнитных молекул, что влияет на измерения КССВ и ХС [197].

Вторая и главная перспектива развития методов магнитного резонанса — отработка процедур возбуждения и регистрации сигналов. Подбор специальных методик для каждого класса объектов и задач исследования, основанный на уникальной возможности экспериментальной манипуляции параметрами спинового гамильтониана ("спиновой хореографии" и "спиновой алхимии"), всегда был основой новых успехов применения магнитных резонансов в спектроскопии и томографии. Не исчерпавшие себя разнообразные методы усовершенствования аппаратуры. Это — применение криодатчиков и С  КВИД, использование механических и оптических методов регистрации сигнала, повышение скорости вращения твердотельных образцов и, наконец, использование таких "многоходовых" методов подготовки и приготовления образца, как замораживание с добавкой свободных радикалов, ДПЯ при насыщении ЭПР и перенос поляризованных ядер после размораживания в спектрометр ЯМР высокого разрешения

К числу важнейших перспектив молекулярной спектроскопии магнитного резонанса относится дальнейшее развитие квантово-механической теории параметров спин-гамильтониана. О том, насколько широки и разнообразны проблемы, которые могут быть решены с помощью магнитных резонансов, даёт представление приложение, в котором перечислены лауреаты Нобелевской премии за достижения в областях, связанных с магнитным резонансом.

 

Таблица лаурятов Нобелевских премий связанных с магнитным резонансом

 

№	Номинация	Год	Отмеченные достижения (пояснение)	Персоналии
1	Физика	1902	За выдающиеся результаты, которые были получены в исследованиях влияния магнетизма на явления излучения (Открытие эффекта Зеемана)	П. Зееман, Х. Лоренц
2	Физика	1943	За вклад в развитие метода молекулярных пучков и открытие магнитного момента протонов (Открытие пространственного квантования магнитного момента протона)	О. Штерн
3	Физика	1944	За резонансный метод регистрации магнитных свойств атомных ядер (Наблюдение ядерного магнитного резонанса в молекулярных пучках)	И.Раби
4	Физика	1952	За развитие новых тонких методов измерения магнитных свойств ядер и связанные с этим открытия (Наблюдение магнитного резонанса ядер в веществе)	Ф. Блох, Э. Пёрселл
5	Физика	1966	За открытие и развитие оптических методов исследования радиочастотных резонансов в атоме (За двойной оптический-парамагнитныый резонанс)	А. Кастлер
6	Физика	1977	За вклад в изучение магнитных и электрических свойств вещества	Дж. Ван Флек (совместно с др.)
7	Физика	1989	За изобретение метода полевого разделения атомных осцилляторов и его применение в мазере и атомных часах (Водородныый генератор на сверхтонких уровнях атома)	Н. Рэмси (совместно с др.)
8	Химия	1991	За вклад в развитие методологии спектроскопии ЯМР (За методы! импульсного возбуждения ЯМР для исследования химических соединений)	Р. Эрнст
9	Химия	1998	За вклад в вычислительные методы квантовой химии молекул (включая параметры! спин-гамильтонианов)	Дж. Попл (совместно с др.)
10	Химия	2002	За развитие ЯМР-спектроскопии для определения трёхмерной структуры биологических макромолекул в растворах (Определение структур белковых молекул)	К. Вютрих (совместно с др.)
11	Медицина	2003	За развитие методов магниторезонансной интроскопии	П. Лаутербур, П. Мэнсфилд

 

 

 

 

 

 

 

Список использованной литературы:

1. Кессених А В "Открытие, исследования и применения магнитного резонанса" УФН 179 737–764 (2009)
2. Ермаков В.И. / Ядерный магнитный резонанс и его применение для исследования быстрых реакций: Текст лекций / Москва / РХТУ / 1988
3. Мэнсфилд П. Быстрая магнитно-резонансная томография // Успехи физических наук, 2005, т. 175, № 10, с. 1044—1052 (переводо)