كيفية قياس النظام دون لمسه: الرنين المغناطيسي

وجد الرنين المغناطيسي تطبيقات في الطب والكيمياء والحوسبة الكمومية والعديد من المجالات الأخرى. لقد سمح لأخصائيي الأشعة بالتنظير داخل جسم الإنسان للمساعدة في تشخيص الأمراض مثل السرطان والمرض العقلي وساعد الكيميائيين على تحديد الهياكل ثلاثية الأبعاد للجزيئات المعقدة مثل البروتينات والدهون. ولكن ما هو بالضبط الرنين المغناطيسي؟ كيف يعمل؟ بعبارة أخرى ، كيف يعطينا المغناطيس معلومات مفصلة عن شيء ما دون لمسه فعليًا؟

التكبير في

إذا قمنا بتكبير العالم دون الذري ، نلاحظ أن الجسيمات مشحونة عمومًا. على سبيل المثال ، تحتوي البروتونات على شحنة +1 ، والإلكترونات لها شحنة -1 ، والميونات لها شحنة -1 وما إلى ذلك. علاوة على ذلك ، يكون للجسيمات رقم كم يدور - شكل من أشكال الزخم الزاوي للجسيمات. هذا ليس هو الدوران الذي نعرفه في الحياة اليومية ، مثل غزل كرة السلة ، ولكنه أكثر من الوصف التجريدي المستخدم في ميكانيكا الكم. من المفيد تصور الجسيمات ككائنات دوارة ، رغم أنه من المهم ملاحظة أن هذا ليس هو الوصف الأكثر دقة. ومع ذلك ، لأغراض هذه النظرة العامة ، يمكننا أن نعتبر الجزيئات في الواقع الغزل.

يمكن أن يحتوي عدد الكم الدوار على قيم مجزأة موجبة وسالبة. لتبسيط ، تخبئ الشحنة الموجودة في الدوران الاتجاه الذي يدور فيه الجسيم.

والآن لدينا جسيم مشحون يدور. لماذا هذا مهم؟ حسنًا ، وفقًا للكهرومغناطيسية (فرع الفيزياء الذي يتعامل مع الحقول المغناطيسية ، والمجالات الكهربائية ، والضوء) ، فإن أي مجال كهربائي متحرك أو متغير يقوم بإنشاء مجال مغناطيسي. في حالة جسيمنا الغزل المشحون ، فإنه ينتج مجاله المغنطيسي الخاص وبالتالي لديه لحظة مغناطيسية! وبالتالي ، يمكننا أن نفكر في هذه الجسيمات حقا مغناطيس شريط صغير.

في حالة وجود بروتون ، باعتباره شحنة +1 / 2 وشحنة +1 ، فإنه يؤدي إلى لحظة مغناطيسية تبلغ حوالي 1.4 × 10 ^ -26 J / T ، وهي قيمة صغيرة للغاية. كجسيم فردي ، هذه القيمة لا تذكر. لذلك ، نحن بحاجة إلى النظر في نظام كامل من الدورات (ملاحظة: في مصطلحات MR ، كلمة "spins" مرادفة لـ "الجزيئات").

يمكننا تبسيط تجربة MR في ثلاث خطوات:

  1. الاستقطاب
  2. إثارة
  3. استرخاء

الاستقطاب

في عينة غير مضطربة ، سيتم توجيه جميع اللحظات المغناطيسية في الدورات في اتجاهات عشوائية بحيث لا توجد لحظة مغناطيسية صافية. ومع ذلك ، إذا طبقنا مجالًا مغناطيسيًا قويًا خارجيًا ، يسمى B0 ، فإن المحاور تدور إما بشكل متوازٍ أو معاكس للمجال. في حالة البروتون ، يكون الاتجاه الموازي ذا طاقة أقل قليلاً من الاتجاه المعاكس ، لذلك فائض طفيف من البروتونات يتجه مع الحقل. هذا يؤدي إلى لحظة مغناطيسية صغيرة عامة أو مغنطة كبيرة للعينة في اتجاه الحقل. بمعنى آخر ، إذا دخلت داخل مغناطيس قوي ، فستحصل على مغنطة خاصة بك.

في الرنين المغنطيسي ، تلغى جميع اللحظات المغنطيسية في الدورات باستثناء الزيادة الطفيفة في الاتجاه الموازي. لذلك ، كل ما تم اكتشافه هو من هذا الفائض الطفيف. نحن نسمي هذه العملية التي تدور محاذاة مع المجال المغناطيسي كما الاستقطاب.

مرة واحدة في حقل خارجي ، تدور يفعل شيئا ملحوظا جدا: إنه يسبق. تذكر اللقطة الأخيرة في التأسيس؟ يشبه تذبذب الجزء العلوي ما تفعله الدورات في مجال مغناطيسي. بدلاً من مجرد الحفاظ على الانحياز والثبات ، تدور "التذبذب" حول خطوط التدفق في المجال المغناطيسي.

تحدث هذه السرعة المسبقة على تردد محدد للغاية يعتمد على قوة المجال المغناطيسي ، والمعروفة باسم تردد Larmor. يعتمد تردد Larmor أيضًا على نسبة الجيرومغناطيسية (الفم ، وأنا أعلم) للدوران المحدد. على سبيل المثال ، البروتون ، الذي تبلغ نسبته المغناطيسية حوالي 43 ميغاهيرتز / تي ، يعالج بشكل أسرع من نواة الكربون 13 ، التي تبلغ نسبتها 11 ميجا هرتز / تي ، في نفس شدة المجال.

إثارة

تخيل دفع شخص ما على مجموعة البديل. إذا كنت تدفع وقت الراحة ، فلن تحصل على ارتفاع كبير ، بغض النظر عن مدى صعوبة الدفع. ولكن ، إذا كانت كل دفعة من دفعاتك في الوقت المحدد ، يمكن للشخص أن يرتفع بسرعة كبيرة. إذا كنت تدفع في الوقت المناسب ، فيمكنك القول إنك في صدى مع النظام (الرنين المغنطيسي ... همم ، يبدأ التجمع). يمكننا أن نفعل الشيء نفسه مع يدور في مجال مغناطيسي!

كتحديث ، لدينا يدور التجهيز في مجال مغناطيسي خارجي وهناك مغنطة كبيرة في اتجاه الحقل. إذا طبقنا مجالًا عموديًا يتذبذب على نفس التردد مثل تردد Larmor ، فيمكننا "دفع" الدورات. يتم تطبيق هذا بشكل أساسي على نبض الترددات الراديوية العمودية ، والمعروفة باسم الحقل B1.

تُعرف هذه العملية المتمثلة في دفع أكثر من يدور في الطائرة XY عمودي باسم الإثارة. اعتمادًا على قوة الحقل B1 ومدة النبضة ، يمكن قلب الدورات في أي زاوية. عادةً ما تتضمن تجارب MR نبضات 90 درجة B1 لزيادة مقدار الإشارة في المستوى XY.

استرخاء

يدور في الطائرة XY غير مستقر للغاية. فكر في القياس المتأرجح. بعد دفع شخص ما لأعلى ، سترغب مجموعة التأرجح في العودة إلى التوازن ، حيث يكون التأرجح ثابتًا. أجد صعوبة في تصديق أن شخصًا ما سيستمر في الوصول إلى نفس الارتفاع دون أن يدفعه أحد. في حالة دوراننا ، سوف يميلون إلى استقطابهم الأصلي. عندما تكون في الطائرة XY ، تدور حيوية للغاية. لذلك ، للعودة إلى التوازن ، يجب عليهم إطلاق هذه الطاقة. يتم إصدار هذا في شكل راديو يحمل نفس التردد مثل تردد Larmor في الدوران. عندما تدور تدور حول هذا التردد اللاسلكي ، فإنها تنقلب مرة أخرى نحو حالتها الأصلية من خلال عملية تعرف باسم الاسترخاء. هناك نوعان رئيسيان من الاسترخاء: الاسترخاء T1 (تدور شعرية) و T2 (تدور الاسترخاء).

الاسترخاء T1 هو العملية التي يعود بها المغناطيسية السائبة إلى الحد الأقصى لقيمة الأصلي. فكر في الأمر على أنه اكتساب مغنطة في المحور z. الاسترخاء T2 هو العملية التي تتحلل بها مغنطة عرضية. يمكن اعتباره بمثابة فقدان المغناطيسية في الطائرة XY.

نظرًا لأن الإشارات حساسة فقط في المستوى XY ، فإن هاتين العمليتين للاسترخاء تنتجان إشارة متحللة بشكل كبير تُعرف باسم تسوس التعريفي الحر.

هذه هي الإشارة التي يتم الكشف عنها في تجارب MR.

تطبيقات

هذه هي الطريقة التي يتم بها الحصول على إشارة الرنين المغناطيسي. ولكن ما الذي يمكن فعله بالفعل؟ في ما يلي ، يتم النظر في تطبيقين: التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) وطيف الرنين المغناطيسي النووي (التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي).

MRI

ظهرت القوة الدافعة للتصوير المستند إلى التصوير بالرنين المغناطيسي في منتصف سبعينيات القرن الماضي باكتشاف أن الأنسجة المختلفة لها أوقات استرخاء مختلفة من T1 و T2. لذلك ، يمكن تمييز الأنسجة بناءً على حجم إشارة MR بعد فترة زمنية معينة. من أجل تعظيم الإشارة في التصوير بالرنين المغناطيسي ، يتم استخدام نوى الهيدروجين (بروتونات) في جزيئات الماء ، نظرًا لأنها الأكثر حساسية للرنين المغناطيسي.

هناك نوعان رئيسيان من فحوصات التصوير بالرنين المغناطيسي: مرجح T1 و T2 ، يقابلان نوعين مختلفين من الاسترخاء. في كلتا الحالتين ، يتم تحفيز شريحة من الأنسجة بواسطة نبض الترددات الراديوية. ثم ، بعد تأخير بعض الوقت ، يتم قياس الإشارة. يتوافق حجم الإشارة في ذلك الوقت مع مدى سطوع هذه المنطقة في الصورة. في التصوير بالرنين المغناطيسي T1 الموزون ، تزداد الإشارة بشكل كبير مع مرور الوقت. في عمليات المسح T2 الموزعة ، تنخفض الإشارة بشكل كبير مع مرور الوقت. الطريقة التي يتم بها تمييز الأنسجة هي بالمعدل الذي يحدث عنده T1 أو T2 ، لأن هذه تؤدي إلى أحجام مختلفة للإشارة في تأخير الوقت المحدد.

اعتمادًا على وزن الصورة ، يمكن إنتاج صور مختلفة تمامًا لنفس شريحة الأنسجة!

توجد العديد من الأوزان الأخرى خارج T1 و T2 ويمكنها إنتاج صور حساسة لأنسجة معينة فقط مع تجاهل الآخرين. هذا يجعل التصوير بالرنين المغناطيسي أداة تصوير طبية قوية ، خاصة بالنظر إلى أنه يستخدم فقط المجالات الراديوية والمغناطيسية دون إشعاعات مؤينة خطيرة.

الرنين المغناطيسي النووي الطيفي

تم تطوير الرنين المغناطيسي النووي في الأصل كأداة للتحليل الكيميائي في أواخر 1940s وبداية 1950s. في التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي ، يتم تحليل العينات من حيث الترددات التي تتكون منها. تذكر كيف كان تردد Larmor يعتمد على مدى قوة المجال المغناطيسي؟ من المنطقي افتراض أنه نظرًا لأن المجال المغناطيسي الخارجي ثابت ، فإن جميع ترددات Larmor في العينة ستكون هي نفسها. ولكن هذا ليس هو الحال. إذا نظرنا إلى جزيء ، نلاحظ أن النواة محاطة بسحب الإلكترونات. تميل الإلكترونات ، التي لها نسبة مغنطيسية سالبة وعالية ، إلى توجيه نفسها عكسية فيما يتعلق بحقل B0 المطبق. هذه الإلكترونات ذات اللحظات المغناطيسية المتعارضة تقلل المجال المغناطيسي المحلي للنواة القريبة. هذا ثم يقلل من ترددات Larmor لتلك النوى. هذا هو المعروف باسم التدريع الإلكترون.

بالنسبة لجزيء معيّن به نوى MR متعددة نشطة ، سيكون له ترددات Larmor متعددة. يمكن تحليل هذه الترددات لتحديد بنية الجزيء وتكوين العينة.

تتم إضافة الترددات المختلفة معًا لتشكيل إشارة تحلل التعريفي المجانية التي نتلقاها في تجربة الرنين المغناطيسي النووي. يمكننا "تحليل" إشارة المجال الزمني هذه إلى جميع الترددات التي تتألف منها باستخدام تقنية رياضية تسمى تحويل فورييه. هذا ينتج طيف مجال تردد.

هنا ، تتوافق كل قمة في الطيف مع بيئة مغناطيسية محددة لنواة MR النشطة. على سبيل المثال ، ضع في اعتبارك طيف H-NMR للإيثانول:

وماذا في ذلك؟

بالتأكيد ، السيد مثير للاهتمام. ولكن ما القيمة التي يمكن أن تضيفها بالفعل؟ إليك المغير للألعاب: يتيح لنا الرنين المغناطيسي التحليل والتفاعل مع أي نظام دون الحاجة إلى التأثير على تركيبه المادي وبنيته وخصائصه بأي شكل من الأشكال.

تخيل أنك اكتشفت للتو طريقة لتعديل البروتين للمساعدة في علاج مرض الزهايمر. يبدو رائعا جدا ، أليس كذلك؟ تكمن الصعوبة في أنه يجب عليك معرفة البنية الأصلية للبروتين وتكوينه ، وأفضل طريقة لتعديله ، وكيفية التأكد من صحة ما قمت بتعديله. كيف يمكنك أن تفعل كل ذلك دون التأثير مباشرة على السلامة الهيكلية أو التركيب الجزيئي للبروتين؟ حسنا ، في كل خطوة يمكنك استخدام التحليل الطيفي بالرنين المغناطيسي النووي! هذا هو في الواقع مجال كامل في حد ذاته ، يسمى (كما هو متوقع) التحليل الطيفي للرنين المغناطيسي النووي

أو ، ماذا لو كنت تريد استخدام النواة في جزيء كأساس للبتات في الكمبيوتر الكمومي؟ يبدو وكأنه نهج بديهية ، خاصة بالنظر إلى مدى سهولة القياس. للقيام بذلك ، على الرغم من ذلك ، يجب عليك التأكد من الحفاظ على الخصائص الكمومية للنظام وعدم تعرّض وحدات الامتصاص الفعلية للخطر. يبدو وكأنه حالة الاستخدام الجيد للرنين المغناطيسي النووي! مما لا يثير الدهشة ، وهذا ما يسمى الحوسبة الكمومية الرنين المغناطيسي النووي.

يعد التصوير بالرنين المغناطيسي من أفضل وأشهر تطبيقات MR. أنا أشك في أنني سأكون قادرًا على توفير العدالة للتكنولوجيا في هذه الفقرة القصيرة ولكن مع ذلك ، فكر في ما يلي. تخيل أنك تواجه مشكلة في رؤيتك. تجد الأشياء ضبابية وتبدأ في تطوير الارتباك العام. يوصي طبيبك بإجراء فحص بالأشعة المقطعية ، ولكن ليس هناك رؤية للورم أو الوذمة الدماغية (تورم في المخ). نظرًا لأنك قد تلقيت للتو جرعة تزيد عن 500 من الأشعة السينية في فحص واحد ، فإن طبيبك يتردد في استخدام أي تدابير أكثر خطورة عن بُعد. لكنه يتذكر أنه يستطيع استخدام أوزان مختلفة في التصوير بالرنين المغناطيسي لتصوير الأنسجة المختلفة وقياس وظائف المخ! لذلك ، يجرى بضع عمليات مسح وبعد تحليل صورة الأوعية بالرنين المغناطيسي (يستخدم هذا للحصول على صورة لجميع الأوعية الدموية في المنطقة) ، يقرر أن لديك تراكمًا للوحة في الفص القذالي. يمنحك مخففات للدم وتصبح بصحة جيدة في أي وقت من الأوقات.

في الأساس ، كلما كان لديك نظام دقيق تريد العمل معه دون التسبب في أي تغييرات عليه ، فإن الرنين المغناطيسي هو أفضل أداة لديك.

الوجبات الرئيسية

الرنين المغناطيسي هو أداة قوية يمكن أن توفر لنا معلومات مفيدة لنظام يستخدم نبضات الراديو والمغناطيس الخارجي فقط. يتيح لنا ذلك فهم النظام دون الحاجة إلى التضحية به بأي طريقة. إلى خلاصة:

  • يتم شحن جزيئات MR النشطة ولها رقم دوران غير صفري. هذا يجعلها تتصرف مثل مغناطيس شريط صغير.
  • تتضمن تجربة التصوير بالرنين المغناطيسي الأساسية استقطاب الجسيمات مع المجال المغناطيسي والإثارة باستخدام نبضات التردد الراديوي والاسترخاء T1 و T2.
  • التصوير بالرنين المغناطيسي والرنين المغناطيسي النووي هي بعض من التطبيقات الأكثر شهرة ومفيدة من الرنين المغناطيسي ويستمر استخدامها يوميا.

لم نقترب من ما يمكننا فعله بالرنين المغناطيسي. حتى الآن ، تم استخدامه كأداة تحليلية أكثر. ولكن في الآونة الأخيرة ، وجد MR حالات استخدام في مناطق تنمو بنشاط مثل الحوسبة الكمية والشحن اللاسلكي.

مع هذه الإمكانية لتعطيل الصناعات الرئيسية ، من يدري كيف سنستخدمها على الطريق؟