Тірі ағзаға электр және магнит өрістерінің әсері. ЯМР және ЭПР құбылыстарды медицинада қолдану

 

Қарағанды Мемлекеттік  Медицина Академиясы

 

Медициналық биофизика  және информатика кафедрасы

 

 

 

 

 

 

ТАҚЫРЫБЫ:  

Тірі ағзаға электр және магнит өрістерінің әсері.

ЯМР және ЭПР  құбылыстарды медицинада қолдану.

 

 

 

 

 

                                                                                

    Орындаған: 101 топ ЖМФ

 

                                                                                         Пернебаев Е.Қ.

 Тексерген:Букеев С.Б

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қарағанды – 2009ж.

 

 

Мазмұны

 

1. Кіріспе

 

2. Негізгі бөлім

 

1. Электромагниттік өрістердің әрекеті
2. Электромагниттік өрістердің биологиялық әрекеті
3. Жүйке жүйесіне әсері
4. Иммундық жүйеге әсері
5. Эндокриндік жүйе  мен  нейрогуморальдық реакцияға    әсері
6. ЯМР-интроскопияның медицинада қолданылуы

 

3. Қорытынды

 

4. Пайдаланған әдебиеттер

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Применение  ЯМР-интроскопии в медицине

 

     При сопоставлении  различных методов получения  ЯМР-изображений обычно указывают  три характеристических параметра:

1. Отношение сигнала к шуму
2. Время получения ЯМР-изображения
3. Пространственное разрешение

Отношение сигнала к  шуму равно отношению ЭДС, индуцированной  в приемной РЧ-катушке, к средней  квадратической амплитуде тепловых шумов Un

 

S/N=x/Un,

Где                                        Un= (4k TcRDn)1/2

 

 

       Tc – абсолютная температура катушки; R- электрическое сопротивление; Dn - ширина полос частот всей приемной системы. Так как ЯМР-сигналы регистрируют фазово-чувствительным детектором , то в формулу для отношения S/N входит отношение амплитуд сигналов,  ане энергий. ЭДС равна

x@ (B1) x yM W0 Vs» W0 B0 (B1)xy Vs» w02 Vs(B1)xy

 при n0 5МГц. В РЧ-катушке соленоидального вида поле В1 для единичного тока равно:                      

B1=`n >>1,

      Где  а – радиус катушки; 2b – ее высота; m0 – восприимчивость свободного пространства; n – число витков в катушке. С учетом скин-эффекта электрическое сопротивление катушки

 

R 3/2*h* ( r a h 2) / (2d g) @ n>>1,

 

         Где r – сопротивление катушки; h» 3-6 – фактор близости; d- толщина скин-слоя. В области частот n0    1МГц отношение сигнала к шуму измеряется как степень7/4 от лармовой частоты. При высоких частотах, когда основные  потери РЧ- мощности происходят в образце, это соотношение переходит в линейное. Для объектов больших размеров, например для тела человека, необходимо учесть скин-эффект и электрическое сопротивление тканей, которое равно «1W, а толщина скин-слоя составляет 80 мм при n0= 40 МГц . Из-за ослабления РЧ- поля угол нутации g становится функцией глубины z:

 

gp/2 = B1 tp exp (-z/d)

 

        Разброс угла нутации по глубине компенсируют, выбирая для каждой глубины z соответствующую амплитуду РЧ- поля.

        Моделирующие  расчеты эффектов ослабления  и сдвига по фазе электромагнитного  поля в различных тканях человека показывают, что в ЯМР – интроскопах, предназначенных для получения ЯМР- изображений человека, частота Лармона не должна быть более 10 МГц.

      Тело человека, помещенное  в РЧ- катушку ЯМР- интроскопа,можно  рассматривать как электрическое  сопротивление с Z=1.87 W , которое включено последовательно с электрическим  сопротивлением соленоидальной РЧ- катушки, имеющей R=1.56 W7. При этом полное эффективное сопротивление равно R` = R+Z =3.43 W . Амплитуда шума Un   возрастает в = раза. Именно во столько раз (и не больше!) возрастаетотношение сигнала к шуму, если охладить РЧ- катушку до сверхпроводящего состояния. Приведенная выше оценка отношения сигнала к шуму верна для прямого метода сканирования, и во всех интегральных и многопланарных методах получения ЯМР- изображений отношение сигнала к шуму в эквивалентных условиях значительно выше. Указанный фактор позволяет снизить требуемое время получения ЯМР- изображения вплоть до 1с.

         Важное  преимущество методов интроскопии  при помощи ядерного магнитного  резонанса в том, что здесь  нет ионизирующего излучения. Этот факт стал решающим стимулом ыстрого распространения ЯМР- интроскопов в клиниках. В процессе сьема данных о ЯМР- изображении тел человека подвергается действию трех агентов: статического магнитного поля, переключаемых или осцилирующих градиентных магнитных полей, а также импульсных радиочастотных полей. Статическое магнитное поле может вызвать генетические и биохимические эффекты, а также эффекты на клеточном уровне. Вплоть до индукции магниного поля 2 Тл указанных эффектов не наблюдалось. Статическое магнитное поле может изменять скорость распространения импульсов электрического поля по нервам. Согласно теоретическим оценкам, изменение указанного фактора на 10% должно наступить в полях с индукцией 24 Тл и более. В экспериментах, проведенных в магнитном поле 2 Тл в течение 4ч никаких изменений в скорости проводимости нервов обнаружено не было. Искомое явление маскирует эффект изменения температуры тела. Повышение температуры тела на 0,1С приводило к вариациям рассматриваемого фактора на 2-4 %

         В сильных  магнитных полей наблюдают аномалии в электрокардиограмме сердца. При движении крови в магнитном поле возникает дополнительная ЭДС. Наблюдаемый эффект, который расчет линейно с индукцией манитного поля, используют для изучения потока крови в сердце. При этом не возникает ни аритмия, ни изменения в частоте сокращения сердца, ни изменения в давлении крови и не присходит никаких химических изменений.

         Исследование  поведения бактерий и генетические исследования лимфоцитов крови человека при помощи методики, очень чувствительной к слабым примесям токсическихвеществ и к ультрафиолетовому  облучению, не позволили обнаружить какие-либо вредные эффекты вплоть до индукции магнитного поля >>1 Тл.

        Переключаемые и осцилирующие  градиентные магнитные поля могут создать недопустимо высокие значения внутренней ЭДС. При скорости переключения 3 Тл/с возникают электрические токи с плотностью около 3мкА/см2, которые могут вызвать нетепловые биологические эффекты. Количественный анализ показал, что для градиентной катушки диаметром  20см допустимое значение  скорости переключения  магнитного поля равно dB/dt = 1 Тл/с. Это значение лежит ниже порога возбуждения нервов («3*103 мкА/см2), порога свертывания крови в средце (102 – 103), порога наблюдения вспышек света в глазах  человека под действием электродов на голове человека ( 17 мкА/см2), а также порога эффекта магнитных фосфенов («5 мкА/см2). Специальные эксперименты показали, что патологические изменения в крови отсутствуют при скорости переключения магнитного поля» 500 Тл/с. Было замечено, что порог указанных эффектов зависит также от формы функции, описывающей вариации магнитного поля во времени. Синусоидальные сигналы не создают практическго вреда в интервале частот 30-65 Гц и только ассиметричные формы сигналов дают заметные изменения этих факторов на пациентах.

        Радиочастотное поле ЯМР- интроскопа создает нагрев тканей. Установленный верхний порог равен 4 Вт/кг при времени воздействия менее 10 минут и 1,5 Вт/кг при длительном облучении. Основной обогрев происходит на поверхности тела. Тело теряет тепло за счет излучения и прямого охлаждения. При низкой  влажности воздуха и мощности облучения 4 Вт/кг в течение 10 минут температура тела повышается на 0,7 С.

        Тепло, выделяемое в тканях  человека во рвемя сеанса облучения  РЧ- полем,  измеряет по добротности  системы с пациентом и без  пациента.

        Наблюдения за поведением отдельных  клеток, поиск генетических повреждений  и аббераций в хромосомах показали, что комплекс факторов, характерных для ЯМР- интроскопии, не создает вредных эффектов.

        ЯМР- изображения несут важную  информацию о химии физиологических  процессов, о структуре и динамике  тканей на молекулярном уровне  и как следствие этого дают принципиально новые возможности для медицинской диагностики. Это свойство и безвредность ЯМР- интроскопии стали решающим стимулом быстрого внедрения ЯМР- интроскопии в медицинские клиники.  Современные ЯМР- интроскопы дают пространсвенное разрешение 1`1`4 мм при времени получения изображения ококло 100с, позволяет одновременно получать локализованные  спектры химические сдвигов ядер 31Р и 13С в естественной концентрации.Одновременно или с небольшим разрывом  во времени можно получить как анатомическую  информацию, так и данные об обмене веществ в тканях (метаболизме). Время получения спектра  31Р равно 10 и 16 мин. для спектра  13С. Положение и относительные интенсивности пиков в спектре 31Р указывают на отклонения от нормы в тканях под действием ишемии, злокачественной опухоли, нарушения обмена и демонстрируют результаты терапии. Спектры 13С содержат информацию об уровне триглицерида и глкогена. На ЯМР – изображениях можно отобразить:

1. Время спин-решеточонй релаксации Т1;
2. Время спин-спиновой релаксации Т2;
3. Коэффициент диффузии молекул.

         Особенно ценную информацию несут  ЯМР- изображения  сосудистой  системы , спинового мозга, головног мозга, легких и средостения. Все случаи злокачественных опухолей, обнаруживаемых при помощи реконструктивной рентгеновской томографии, идентифицируются на ЯМР- изоражениях ядра водорода. Накоплен большой опыт клинического исследования головного мозга человека при помощи ЯМР- интроскопии. Всего было обследовано 104 пациентов с широким спектром неврологических заболеваний. Преимущество ЯМР- изображений в том, что на них серое вещество мозга отображается с высоким контрастом, который недоступен для рентгеновской реконструктивной томографии. Отсутствуют артефакты, создаваемые костными тканями в рентгеновской реконструктивной томографии, отображаются параметры о потоке жидкостей.

          Блоьшой набор параметров на  ЯМР- изображениях позволяет с  высокой достоверностью обнаружить  такие патологические процессы, как эдема, инфекции, злокачественные  опухоли и перерождения ткани. Особенно высокую чувсвтвительность к мозговой эдеме дают сигналы спинового эха. Главный недостаток ЯМР- интроскопии в том, что на ЯМР – изображениях нет информации о структуре костей. Для этой цели необходимо использовать реконструктивную рентгеновскую томографию.

        

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Қорытынды

 

            ЯМР- интроскопия дает уникальную  возможность своевременно обнаружить  образование миелита в развивающемся  плоде и при оценке мозговых  нагноений у детей.

         Результаты первого использования ЯМР- интроскопии в педиатрии являются обнадеживающим. При помощи планарного метода получения ЯМР- изображений с регистрацией эхо-сигнала за малые доли секунды получают изображения легких, сердца, и средостение без артефактов движения. Иначе говоря, съем данных ведут в реальном масштабе времени. Время получения изображения с разрешением 6 мм и толщиной 8 мм  равно 35 мс. Сигналом-монитором является электрокардиограмма. За 4,5 минуты получают 512 ЯМР- изображений – 32 среза с 16 кинокадрами на каждый срез. Таким образом, регистрируемые данные имеют четырехмерную структуру. С помощью ядерного магнитного резонанса получены результаты обследования детей в возрасте от 3 до 14 месяцев и сняты изображения левого желудочного сердца. Методы ангиографии были в этих случаях бессильны.

          В других работах было показано  экспериментально, что анатомическая информация и данные о метаболизме в головном мозгу человека могут быть получены на одной установке. Вопреки общепринятым представлениям, был построен ЯМР- интроскоп для головного мозга человека на очень высокий резонансной  частоте 63,9 МГц при индукции магинтного поля 1,5 Тл и щелевом резонаторе РЧ- поля. Было достигнуто повышение отношения сигнала к шуму  в11 раз по сравнению с системой, работающей в магнитном поле с индукцией 0,12 Тл . Локализованные ЯМР- спектры высокого разрешения 31Р, 13С и 1Н были получены при помощи поверхностной катушки. Таким образом, метод получения совместных данных об анатомии и биохимии тканей в мозгу человека становится традиционным.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Пайдаланған әдебиеттер

 

1. Орлов В.Н. «Руководство по электрокардиографии» - М.: «Медицина» 1993г. стр528

 

2. Антонов В.Ф. и соавт. « Практикум по биофизике» М.Владос, 2001г.

 

3. Мурашко В.В., Струтынский А.В. «Электрокардиография: учебное пособие» М.: Медпрессинформ, 2005г. стр 320.

 

4. Антонов В.Ф. (редактор) «Биофизика» Москва, 2000г. стр 256.

 

5. Мешков А.Р. «Азбука клинической электрокардиографии» Н-Новгород, 1998г. стр 150.