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

Курсовая работа по курсу «История  методология технической физики»

Реферат

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

Содержание:

Введение:

     До недавнего времени основой наших представлений о структуре атомов и молекул служили исследования методами оптической спектроскопии. В связи с усовершенствованием спектральных методов, продвинувших область измерений в диапазон сверхвысоких  (до  10⁶ МГц) и высоких частот, появились новые источники информации о структуре вещества.

 При поглощении и испускании  излучения  для таких частот  происходит тот же процесс,  что и в других диапазонах  электромагнитного спектра, а именно при переходе с одного энергетического уровня на другой система поглощает или  испускает  квант энергии.

Ядерный магни́тный резона́нс (ЯМР) — резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, содержащим ядра с ненулевым спином во внешнем магнитном поле, обусловленное переориентацией магнитных моментов ядер. Одни и те же ядра атомов в различных окружениях в молекуле показывают различные сигналы ЯМР. Отличие такого сигнала ЯМР от сигнала стандартного вещества позволяет определить так называемый химический сдвиг, который обусловлен химическим строением изучаемого вещества. В методиках ЯМР есть  также много возможностей определять конформацию молекул, эффекты взаимного влияния, внутримолекулярные превращения и др.

Существование ядерных моментов впервые  было обнаружено при изучении сверхтонкой  структуры электронных спектров некоторых атомов с помощью оптических спектрометров с высокой разрешающей способностью.

    Сверхтонкая структура  атомных спектров навела Паули  в 1924 г. на мысль о том,  что некоторые ядра обладают  моментом количества движения (угловым  моментом), а, следовательно, и магнитным моментом, взаимодействующим с атомными орбитальными электронами. Впоследствии эта гипотеза была подтверждена спектроскопическими измерениями, которые позволили определить значения угловых и магнитных моментов для многих ядер.

Сегодня число Нобелевских премий по физике за исследования (открытия) в области магнитного спинового резонанса к 2003 г. сравнялось с числом Нобелевских премий по физике, химии и медицине за разработку и реализацию эффективных методик применения магнитного резонанса.

    Помимо того, что  метод ЯМР  применяется в химии для исследования молекулярного и надмолекулярного строения вещества; структура макроскопических объектов также изучается методами магнитной томографии (МРТ) в случае биологических объектов и организмов магнитной резонансной интроскопии (МРИ). Метод МРИ незаменим в современной медицине. Так как позволяет проводить исследования в любой плоскости, обеспечивает отличный контраст между разными типами ткани,  что предоставляет возможность для улучшенной диагностики заболеваний органов нервной, опорно-двигательной, сердечно-сосудистой систем, а также в онкологии.

1. История открытия ЯМР. Обзор литературы

1.1. Ранняя ("доспиновая" и "доядерная") предыстория

Публикацию теоремы Лармора в 1896 году можно считать началом предыстории магнитного резонанса. Джозеф Лармор (1857-1942) рассмотрел систему вращающихся с постоянной скоростью частиц, обладающих электрическими зарядами и массой, в магнитном поле. Система имеет и механический момент количества движения L и, как кольцо с электрическим током, магнитный дипольный момент М

  Гиромагнитное отношение у = M/L для электронов с зарядом е и массой т_е в гауссовой системе согласно Лармору выражается в виде и линейно зависит от внешнего поляризующего поля.

  Решающее влияние на будущее открытие магнитного резонанса оказало открытие эффекта Зеемана - расщепление линий оптического спектра в магнитном поле. Питер Зееман (1865-1943) в Лейденском университете в 1896 г. наблюдал расщепление спектральных линий дублета D₁₂ в парах натрия. В 1897 г. наблюдаемое расщепление истолковал Х. Лоренц (1853 -1928). Детальное изложение классической модели Лоренца "воздействия внешнего магнитного поля на электронные токи" сохранилось в известном учебнике Г.С. Ландсберга. Исследования эффекта Зеемана в первые десятилетия XX в. явились важным вкладом в основание квантовой теории и теории спина.

  Модель Лармора-Зеемана-Лоренца подтвердила зависимость магнитных эффектов в спектрах от напряжённости поля и от параметра е/(тс). Взаимодействие спинов с внешним магнитным полем получило название зеемановского взаимодействия.

  "Молекулярные токи" Ампера, можно сказать, воплотились в электронных орбитах атома по Бору. В 1920 г В. Паули ввёл понятие магнетона Бора : значение элементарного магнитного момента (для электрона, на нижней орбите атома водорода) равно

Понятие магнетона в дальнейшем было распространено на магнитные моменты нуклонов и ядер. Так называемый ядерный магнетон равен

Магнитный момент протона равен примерно 2,67 , а магнитный момент

нейтрона также отличен от нуля (что, конечно, не согласуется с классической моделью Лармора) и равен примерно  1,91 . Эти значения многократно уточнялись методами магнитного резонанса.

  Важный вклад в формирование теоретического арсенала магнитного резонанса внесли работы 1919 -1921 гг.в том числе более поздняя работа немецкого физика Альфреда Ланде (1888-1975). В этих работах введено понятие о взаимодействующих между собой магнитных моментах разной природы. При слабой связи между моментами (в сильных полях) каждый сорт магнитных моментов взаимодействует с магнитным полем независимо. В сильно связанной системе моментов(в слабом поле) имеется один эффективный магнитный момент,

В 1922 г. в экспериментальных исследованиях магнитных квантовых эффектов был достигнут ключевой результат. Немецкие физики О. Штерн (1888-1969) и В. Герлах (1889 -1979) добились пространственного разделения пучка атомов (в первом опыте это были атомы серебра) в магнитном поле на два пучка с различными ориентациями магнитного момента.

Эта работа предвещала открытие спина  электрона, равного S = 1/2, и, если заглянуть ещё дальше вперёд, предвещала также возможность получения системы с отрицательной температурой путём пространственной селекции состояния с более высокой энергией (впоследствии это было реализовано в водородном генераторе Н. Рэмси и др. в 1960 г.).

  Но  прежде всего, подсказала возможность магнитного резонанса, так как продемонстрировала существование состояний, различающихся только ориентациями магнитного момента. Эту возможность сразу отметили А. Эйнштейн и П. Эренфест [28]. Если есть два состояния с различными энергиями, то, значит, имеются и квантовые переходы между ними, спонтанные и индуцированные, поскольку "характерная для классической модели ларморовская  прецессия не сопровождается изменением энергии моментов в магнитном поле".

  Нужно отметить, что исследования гиромагнитных эффектов в ферромагнетиках (А. Эйнштейн и В. де Гааз) и дисперсии электромагнитных волн в ферромагнетиках(В.К. Аркадьев, Р. Лоярте) проводились до начала поисков магнитного резонанса и практически независимо от этих поисков. Также до открытия магнитного резонанса, хотя значительно позднее, вышла работа Ландау и Лифшица, в выводах которой можно усмотреть макроскопический эффект ферромагнитного резонанса.

В течение 1920-1925 гг. "дозревала" идея спина. Зоммерфельдом и др. интенсивно изучались α-спектры возбуждённых атомов, в том числе, в магнитном поле. Комптон высказывал идею о собственном магнитном моменте электрона, исходя из данных эксперимента по рассеянию рентгеновских лучей, указывающих на то, что при намагничивании кристалла ферромагнетика никакой перестройки электронных орбит не происходит. Авторами идеи "вращающегося электрона" с магнитным моментом=μ_B, и g-фактором =2, стали С. Гаудсмит (1902-1979) и Г. Уленбек (1900-1988), не без влияния работ В. Паули, Р. Кронига и др.

Нерелятивистская теория спина была развита В. Паули, теория Дирака обосновала неизбежность существования спина у релятивистского электрона. Энрико Ферми, пользуясь уравнениями Дирака, создал теорию скалярных магнитных сверхтонких взаимодействий (СТВ) спинов (магнитных моментов) электрона S и ядра I и вычислил значение СТВ для основного состояния электрона в атоме водорода;  такое взаимодействие в литературе называют ферми-взаимодействием ^SI (оно же скалярное или контактное). Вскоре понятие спина заняло важнейшее место в физике микромира и конденсированного состояния.

1.2. История открытия электронного парамагнитного резонанса

или  «в погоне» за ядерными магнитными моментами

Порядок величины протонного магнитного момента к началу 1930-х годов был уже известен из опытов по теплоёмкости водорода при низких температурах, но точное значение магнитных моментов других ядер оставалось в области догадок. Отто Штерн вместе с Иммануэлем Эстерманом (1900-1973) и Отто Фришем (1904-1979) в 1933 г. опубликовали результаты опытов с пучками молекул (изотопомеров водорода: Н2, HD, D2) в вакууме и сортировкой этих частиц по энергиям взаимодействия с магнитным полем аналогичных опытам для атомными пучков.

В 1936 г. харьковские физики из Украинского физико-технического института (УФТИ) Б.Г. Лазарев и Л.В. Шубников (1901 -1938) измерили вклад протонов в намагниченность твёрдого водорода.

Лаборатория Раби стала первой в мире, зафиксировавшей возбуждаемый радиочастотным полем переход между состояниями в пространственно разделённых пучках. В опытах Раби резонанс впервые был получен на ядрах изотопа Li7. Затем последовали другие наблюдения резонанса ядер Li7 , Li6, К39, О35. В той же лаборатории были уточнены методами магнитного резонанса значения магнитных моментов Н1 и Н2, установлены значения электрического квадрупольного момента ядра дейтерия и значения зеемановских взаимодействий и скалярных (сверхтонких) взаимодействий неспаренного электрона в атомах щелочных металлов с их ядрами. В последних работах впервые в атомных пучках наблюдался электронный парамагнитный резонанс с его сверхтонкой структурой, обусловленной взаимодействиями с ядерными спинами в разных ориен-тациях.

Парадоксально, что К. Гортер с сотрудниками после неудачи с ЯМР не пытались наблюдать ЭПР. Они измеряли зависимость поглощения энергии переменного магнитного поля парамагнетиками от напряжённости постоянного поля в полях, слишком сильных (на частотах слишком низких) для наблюдения ЭПР. В 1942 г. Гортер и Л. Брур снова проводили поиски ЯМР, применяя чувствительный радиофизический метод обнаружения резонансного поглощения . Это метод реакции генератора, один из вариантов которого Е.К. Завойский назвал методом "сеточного тока".

К началу 1940-х годов, помимо упомянутых уже работ по парамагнитной релаксации и наблюдения ЭПР в атомных пучках, были выполнены важнейшие работы, которые вскоре составили фундамент теории ЭПР соединений переходных элементов. Это работы Х. Бете,

Х. Крамерса, Дж. Ван Флека и другие работы по теории действия окружения ("кристаллического поля") на парамагнитные ионы; о парамагнитной релаксации и др.

Погоня за резонансом ядерных магнитных моментов в веществе была прервана мировой войной, однако открытие ЭПР в конденсированных средах произошло ещё до окончания войны.

В начале 1940 г. на физическом факультете Казанского Государственного Университета возник тройственный союз: физик-экспериментатор — Е. К. Завойский, талантливый теоретик С.А. Альт-Шулер и физико-химик Б. М. Козырев. Их целью был ЯМР. Завойский планомерно выполнял эксперименты по обнаружению магнитных резонансов в это время начали проявляться сигналы (очевидно, ЯМР-протонов), однако военная комиссия прибывшая в казань переформировала его лабораторию, вынудив изменить научные планы. Изменение условий эксперимента автоматически вывело команду Завойского на путь, облегчающий наблюдение ЭПР, который при той же частоте должен наблюдаться для свободного электрона в магнитном поле с напряжённостью примерно в 658,5 раз меньшей, чем напряжённость этого поля в случае магнитного резонанса протонов. «Парадокс Колумба»-  Завойский искал ЯМР а нашел  ЭПР.

И в июле 1944 г он представил в Физический институт АН СССР (ФИАН) докторскую диссертацию "Парамагнитная абсорбция в перпендикулярных и параллельных полях для солей, растворов и металлов". Истолкование довольно широких пиков поглощения в перпендикулярных полях как спинового резонанса вызвало недоверие экспертов из ФИАНа-диссертация несколько месяцев не ставилась на защиту. Это побудило Завойского обратиться в другой авторитетный центр — в Институт физических проблем (ИФП), где его результаты были повторены вместе с Шальниковым А. И.  Так взаимопомощь советских физиков позволила довести до логического завершения первый этап работ по открытию и исследованию электронного парамагнитного резонанса. 30 января 1945 г. диссертация Завойского была успешно защищена.

1.3. Открытие ядерного магнитного резонанса

Спустя всего полгода после защиты докторской диссертации Е.К. Завойским,  осенью 1945 в США в двух лабораториях физики приступили к поискам ядерного магнитного резонанса в конденсированной среде. Американские физики после перерыва на участие в оборонных проектах вернулись в прекрасные лаборатории, имея к своим услугам широкий выбор оборудования и широкие возможности для сотрудничества с коллегами. Вспоминая о небольшом магните Дюбуа с поперечником зазора в несколько сантиметров в установке Завойского, заметим, что Э. Пёрселл, Х. Торри и Р. Паунд (физики из МТИ) использовали магнит с однородным полем, ранее применявшийся для исследований заряженных частиц в космических лучах, а Ф. Блох с соавторами применили магнит циклотрона. Образцом для наблюдения протонного магнитного резонанса в лаборатории Пёрселла служил примерно 1 кг (объёмом порядка 1 дм3) парафина. Образец помещали в резонатор, включённый в сбалансированную (мостовую) радиочастотную схему, и ожидали нарушения баланса при возбуждении магнитного резонанса за счёт изменения радиочастотной комплексной восприимчивости ядерных моментов в условиях резонанса. По совету И. Раби экспериментаторы выдержали образец в магните целую ночь, для того чтобы "намагнитить" протоны парафина (ожидалось, что время релаксации равно нескольким часам, если не суткам, фактически оказалось — нескольким минутам). Сначала сигнал не появился. Сказалась ошибка в градуировке магнита. Но когда ток установили на максимальное значение и начали постепенно его снижать, измерительный прибор вздрогнул... Это было первое в мире уверенное наблюдение ЯМР в веществе.

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

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)