SPECTROSCOPIA DE REZONANTA MAGNETICA NUCLEARA

Universitatea de Medicina si Farmacie ‘’Gr.T. Popa’’ IasiStudent :Musteata Oana-ElenaM.G. an 1,seria E, gr. 34

SPECTROSCOPIA DE REZONANTA MAGNETICA NUCLEARA

RMN, prevazuta inca din 1936 de C. Garter si realizata practic in 1946 de F. Bloch si independent de E.M. Purcell , are la baza un fenomen asemanator cu rezonanta electronica de spin.

Experienta lui Rabi

Incepand cu anul 1936 Rabi si colaboratorii sai au imbunatatit metoda fasciculelor moleculare Stern si Gerlach , combinand-o cu metoda de rezonanta magnetica. Ideea consta in a actiona asupra precesiei Larmor a nuclului dintr-un camp magnetic cu ajutorul unei unde electromagnetice care sa aibe o frecventa egala cu frecventa de rezonanta.Instalatia lui Rabi creeaza campuri magnetice neomogene care deviaza succesiv fasciculul molecular in directii opuse , in felul acesta apare un efect de focalizare.


Campurile B1 si B2 dau fiecarei molecule o energie cuantificata si grupeaza moleculele de energii diferite pe traictorii diferite. Pentru a putea masura numai momentul magnetic al nucleelor s-a folosit un fascicul molecular cu spini electronici compensati (H2, LiCl).Aproximativ la jumatatea traiectorie fasciculului se aplica un camp magnetic constant B cre produce precesia Larmor a fiecariu nucleu cu o frcventa data de relatia:

gn-factor giromagnetic nuclear (factor Landé);

ν=gn×µN×B❑

h h-constanta lui Planck;

B-inductia campului magnetic;

Frecventa aceastei cuante este indentica cu frecventa cu care protonul ar face precesia Larmor in campul magnetic respective. Numai la realizarea conditiei de rezonanta cuanta electromagnetica va putea fi absorbita de proton (nucleu)care-si va inversa spinul ,adicava trece din starea de energie joasa in cea de energie inalta.

Intensitatea fasciculului molecular :

Tot in acest domeniu se concentreaz un camp magnetic variabil Bν care daca intra

in rezonanta cu precesia nucleelor deter-

mina o interactiune puternica si traiec-

toria particulelor se schimba brusc (curbele

punctuate pe figura),iar focalizarea este distrusa.


Variind fie campul magnetic constant , de inductie B, la o frecventa data de campul variabil Bν,fie invers , frecventa la un camp dat ,se pot pune in evidenta diferite precesii Larmor ale nucleului. Fiecare tip de frecventa se observa printr-o scadere (absorbtie) brusca a intensitatii fasciculului molecular . Printr-o astfel de metoda se poate determina cu mare cu mare exactitate numarul de termini(nivele enrgetice)si distant dintre ei, adica momenul cinetic I si momentul magnetic µ. (‘’Fizica generala ‘’,C.Ciobotaru, A.Paduraru-EDP, Bucuresti 1981-pag.583-584,585)

Rezonanta magnetica nucleara

Metoda de RMN , elaborata de Purcell si colaboratorii sai , permite observarea fenomenelor de rezonanta magnetica fara utilizarea fasciculelor molecular.

Fie o proba P(mostra) dintr-un material care contine N

protoni ,fiecare proton de spin 12ħ, in absenta oricarui camp magnetic

exterior, prezinta orientari arbitrare.Daca la un moment dat se actioneaza cu un camp magnetic puternic de inductie B(≈1T),protoni, care in prima aproximatie pot fi considerati liberi, sufera orientari cuantificate in raport cu campul.

Pentru un nucleu cu spin I exista 2I+1 orientari posibile , astfel ca

pentru proton cu I=12 exista doua orientari posibile :paralel sau

antiparalel cu campul. Statistic , cele doua orientari au loc cu aceeasi probabilitate. Diferenta de energie dintrecele doua staride orientari diferite va fi:


ΔW=gn.µN

.B=gn. µp z❑

gnmIB=

1mI

µnzB

Starea de nergie minima fiind mai populate decat cea de energie maxima , aplicand un camp magnetic oscilant de frecventa ν(egala cu frecventa Larmor) normal pe directia campului magnetic B(care a produs orientarile initiale ale momentelor magnetice) se vor produce tranzitii intre cele doua stari energetice ; absorbtii de rezonanta (la trecerea de pe starea de joasa energie pe cea de energie inalta) si emisii stimulate(prin tranzitii inverse).Aceste tranzitii au loc in principiu , cu egala probabilitate , dar , ca sa predomine procesul de absorbtie in proba este necesar ca populatia starii de energie joasa sa fie mai mare decat cea a starii de energie ridicata.Pentru a produce o diferenta mare in populatia celor doua stari se foloseste un camp magnetic foarte puternic B. Revenirea protonului pe starea de energie minima nu are loc prin emisia surplusului de energie sub forma unei cuante de energie (forma radiativa)ci prin cedarea surplusului de energie atomilor retelei din proba respectiva , situatie in care energia absorbita de proton apare in cele din urma sub forma de caldura , din cauza interactiunii spin –retea.


Pentru obtinerea rezonantei magnetice nucleare se aplica un camp magnetic de inductie B foarte puternic , normal pe campul magnetic de inductie B1 oscilant . Campul B este marit incetul cu incetul pana se indeplineste conditia de rezonanta data cu ajutorul frecventei ν, adica:

B=h×ν2 µpz

cand se produce absorbtia de energie in proba.

Pentru detectarea semnalelor de rezonanta se foloseste de obicei o alta bobina L2 avand axa perpendicular pe bobina L1(care produce campul de inductie B1 )at si pe directia campului B. In acest fel , cele 2 bobine sunt cuplate dar absorbtia de energie electromagnetica din oscilatia radio ce trece prin L1 este sesizata de bobina L2 (prin inductie magnetica nuclear).Semnalul slab obtinut in L2 este amplificat in aplificatorul A si transmis la un osciloscop O, pe ecranul caruia apare un semnal RMN (vertical) ori de cate ori campul magnetic extern B trece prin valoarea corespunzatoare rezonantei.

Cele mai utilizate aparate RMN actuale lucreaza la 60,100,200 MHz .Spectrul RMN reprezinta curba absorbtiei de energie electromagnetica de catre compusul studiat , in functie de campul magnetic aplicat(sau de frecventa)

Daca dispozitivul este capabil sa separe diferite linii din spectrul de rezonanta magnetica atunci se poate vorbi de spctroscopie de inalta rezolutie .Cu ajutorul unei instalatii de RMN de joasa rezolutie de tip D-74-IFA se pot determina principalii parametric ai unei linii de rezonanta magnetica .


Spectrul de rezonanta se obtine pastrand constanta frecventa ν si variind lent campul magnetic.Variatia campului este vizualizata ca o axa a absciselor Ox fie pe un osciloscop fie pe un inscriptor grafic . Absorbtia de rezonanta este vizualizata pe ordonata oscilocopului sau inscriptorului grafic (axa Oy).

Din analiza spectrelor RMN de inalta rezolutie se poate determina structura moleculelor .’’Rezolutia magnetica a nucleelor libere’’ se obtine la o valoare bine definite a campului magnetic , camp de rezonanta.Nucleele nu exista insa ‘’libere’’ ,ele fiind inconjurate de e- invelisului atomic sau molecular.Intre nucleele si e- se exercita un cuplaj magnetic , datorat campurilor magnetice asociate fie cu miscarea e--lor , fie cu spinul acestora.Interactiunile de primul tip dau nastere la deplasarea chimica,iar celelalte la deplasarea Knight in metale sau la cuplarea indirecta a spinilor nuclear.

In capul deplasarii chimice , in functie de gruparea moleculelor in care se gaseste nucleul ‘’liber’’ , in loc de un singur camp de rezonanta se obtin mai multe tranzitii de rezonanta , care corespund nucleelor din grupari molecular diferite.

De obicei se masoara deplasarea chimica fata de o proba standard. Pentru substante care se dizolva in solventi organici se utilizeaza tetrametilailanul(TMS) , Si(CH3)4 .Se acorda atentie de fiecare data substantei de referinta .In unele capuri TMS –ul este inlocuit cu H2O sau alt sunstanta .

In figura se observa spectrul alcoolului etilic CH3-CH2-OH .Facand abstractie de structura suplimentara a fiecarui grup de linii , pectrul corespunde la trei rezonante cu intensitatile 3,2,1.


Se poate determina imediat cu ajutorul tabelelor care sunt gruparile moleculare carora le apartin aceste semnale .

La rezolutii mai slabe spectrul va arata ca in figura:


Pentru alcoolul etilic gruparea metal este legata de o grupare CH2, deplasrile chimice fiind caracteristice atat grupari functionale cat si inconjurarii intramoleculare.Pozitia liniei de rezonanta poate fi utilizata pentru determinarea naturii gruparii moleculare in care este localizat protonul.Daca astfel de corelatii sunt combinate cu suprafetele semnalelor de rezonanta ,suprafete proportionale cu numarul de protoni de un anumit tip, devine clara importanta RMN in determinari de structura.

Marea utilitate a RMN-ului de inalta rezolutie pentru structura moleculei este faptul ca permite idntificarea gruparilor functionale existente in molecula investigate.Din analiza datelor deplasarea chimica creste cu densitatea electronica ,dar destul de des efectele de anizotropie ale legaturilor cu vecinii mascheaza acest lucru.

La o hidrocarbura aditia unor grupari cu electronegativitati monoton variabile , produce o modificare monotona a valorii deplasarii chimice , mai puternic fiind afectate gruparile cele mai apropiate (tabelul cuprinde electogativitati ale catorva grupari moleculare legate de CH2

intr-o hidrocarbura saturate)

Grup Electronegativitati COOH 2.6

I 2.65Br 2.95

NH2 3.05Cl 3.15

OH 3.5F 3.9


Aplicatii medicale ale RMN

Metoda de explorare introdusa in practica pintr-o tehnica atraumatica mult mai sensibila decat scanografia in numeroase domenii(patologia substantei albe ,maduva spinarii)si cu posibilitati de apreciere topografica a leziunilor datorita unei imagini in diferite planuri ale spatiului .

Indicatiile majore ale explorarii RMN s situeaza la nivelul patologiei substantie albe ,a tumorilor liniei mediane ,malformatiilor cerebrale proceselor intramedulare (siringomielia,tumorile medulare) si a compresiunilor medulare.


1.Patologia substantei albe reprezinta prin afectiunile demielinizate cum ar fi scleroza in placi , se diagnosticheaza , prin aceasta metoda in 95% din cazuri.Placile demielinizate se traduc prin zone de semnal anormal sub forma rotunjita sau ovalara , cu marimi ce variaza intre cativa milimetri pana la cativa centimetri ,localizate in special in substanta alba periventriculara supratentorial , mai rar pentru cele din fosa posterioara si aproape imposibil de evidentiat la nivelul maduvei spinarii .Este imposibil de remarcat ca in formele medulare se depisteaza prin aceasta metoda anomalii specifice in substanta alba supratentoriala , iar in formele cu debut monosinaptic anomaliile sunt prezente in substanta alba periventriculara.

In ischemia substantei albe cu demielinizare perivasculara si rarefiere (leucoaraiozis) legate de varsta si favorizate de hipertensiunea arteriala si diabet ca si in dementa Alzheimer ,anomaliile incep la nivelul substantei albe posterioare , in jurul carefurului ventricular si a coarnelor occipital difuzand ulterior in substanta supratetoriala si insotita de o atrofie cortico-subcorticala.Asocierea nomaliilor substantei albe periventriculare si a nucleilor gris la un sindrom demential corespunzator cu boala Bingswangen.


In alte cazuri , cum sunt procesele toxice in special etilismul , demielinizarea substantei albe caracteristica bolii lui Marchiafava- Bigmani se prezinta cu necroza corpului calos si leziuni ale substantei albe periventriculare.Mielinoliza trunchiului cerebral este usor identificata iar leucocefalita multifocala progresiva complica cateodata sindroamele imunodepresiei capatate cu debut al semnalului anormal RMN in substanta alba parietala .Se poate aprecia de asemeni tulburarile de mielinizare congenitala(dismielinizare in cadrul unor boli metabolice)ca si cele capatate (anoxie neonatala, infectii foctale).

In tumorile liniei mediane , mai ales acelea dezvoltate in fosa posterioara , ventriculul III si regiunea selara, RMN-ul este o metoda excelenta de diagnostic , datorita realizarii de sectiuni frontale si sagitale.Se poate aprecia , cu aceasta metoda fenomenul de angajare occipitala , prin sectiune sagitala , dar , in acelasi timp aparitia unui hiper-semnal periventricular supratentorial este un semn foarte precoce de hidrocefalie obstructiva activa care apare deseori inaintea dilatatiei venticulare.


2. Accidentele vasculare cerebrale recente de tip ischemic sunt puse in evident mai bine decat prin CT , anomaliile de semnal aparand la cateva ore dupa instalarea procesului ischemic (imaginile scanografice se evidentiaza abia dupa 24-48 h de la debutul ischemiei). De asemenea RMN-ul este mult mai sensibil pentru punerea in evidenta a ramolismentelor hemoragice.

3.Infectiile , cum ar fi abcesele cerebrale sau focarele de encefalita sunt detectate cu o sensibilitate superioara fata de CT.

4.Malformatiile cerbrale cum sunt encefalocelul , malformatiile Arnold Chiari ,Dandy-Walcer sunt mai bine apreciate prin RMN;agenoziile corpului calos sunt clar demonstrate pe sectiuni sagitale . In malformatiile vasculare , bine vizibile prin metoada CT asociate cu angiografia , RMN-ul are rolul de a localiza precis malformaltiile in raport cu parenchimul cerebral , informaza asupra fluxului sanguin si indica uneori prezenta vechilor focare hemoragice sau ischemice ; in acest sens RMN-ul isi gaeste valoarea reala in explorarea angioamelor cavernoase ,methmoglobina eliberata de globulele rosii lizate se comporta ca un agent para-magnetic ce determina inregistrarea semnalelor anormale caracteristice RMN-ului.


5.RMN-ul are indicatia majora in patologia medulara privind siringomielia unde pune in evidenta cavitatile prin semnalul anormal apropiat de cel al LCR (hipo-semnal in T1 si hiper-semnal in T2) aratand in acelasi timp prezenta unei cavitati siringomielinice cu peretii neregulati sau la o hidromielie (peretii sunt limitati regulat).

6.Tumorile intramedulare primitive cum ar fi astrocitoamele ependimoamele si exceptional hemoangioblatoamele sunt evidentiate prin RMN printr-o marire de volum a maduvei spinarii.

7.Complicatiile medulare imediate si tardive sunt de asemenea evaluate prin RMN.

8.Extramedular intradural RMN-ul este util in evidentiera tumorilor de tip meninginoame si neurinoame si d asemenea unele procese patologice extradurale cum ar fi hernia discala voluminoasa si unele procese rahidiene osoase su leziuni distrofice.

Metoda RMN-ului se bazeaza pe inregistrarea modificarilor energetice pe care le prezinta ionii de H+ dupa o stimulare intr-un camp magnetic foarte puternic .Cum ionii de H+ se gasesc in principal in compozitia moleculei de H2O , diferentele de contrast intre diversele structuri anatomice sunt determinate de hidratarea lor diferita .Astfel osul cortical da un semnal slab spre deosebire de cel medular care un


smnal puternic .Aceeasi deosebire apare intre cartilajul hialin si fibrocartilaj, tendon sau ligament .Astfel RMN-ul este sensibil la detectarea leziunilor mici ce reflecta alterarea contrastului.Are o mare valoare diagnostica in detectarea foarte precoce a osteonecrozei aseptice vasculare , cu importanta asemanatoare sau chiar identica cu explorarea izotopica ,sesizand neregularitati trabeculare , mai ales in capul femoral .Metoda are o mare putere de diagnostic in leziunile discale si in patologia coloanei vertebrale .Ca si CT poate identifica ingrosari sinoviale ,chiste subcondrale si alte modificari morfologice fine care la radiografia conventional nu sunt vizibile , fiind mascate de alte structuri.

Astfel ca RMN-ul fiind o metoda de investigare neinvaziva ofera rezultate mult mai bune decat alte metode de cercetare si este una din marile descoperiri care a schimbat lumea medicala .


Bibliografie:

Semiologie neurologica-Gh.Pendefunda,F.Stefanache,L.Pendefunda, editura Contact International , Iasi 1992Explorarea clinica in neurochirurgie-M.Rusu, editura Junimea ,Iasi 1980Neuroradio diagnostic-practic-C.Aldescu, editura Junimea , Iasi 1982Patologia neurochirurgicala –Arseni C., Horvath L.,Ciurea A.V., edtura Academiei RSR 1980Nuclear Magnetic Resonance-E.R.Andrew, Cambridge 1969Fizica moleculei-V.V.Grecu,A. Ionescu ,editura Universitatii Bucuresti 1983La resonance paramagnetique nucleaire –P.Grivet,CERN 1955Fizica generala-C.Ciobotaru,A.Paduraru,EDP,Bucuresti 1981Fizica atomica si nucleara-St.Muscalu,EDP, Bucuresti 1975Pubmed –http://www.ncbi.nlm.nih.gov/pubmed/21140489;http://www.ncbi.nlm.gov/pubmed/21139938;http://www.ncbi.nlm.gov/pubmed/21137732Sistem nervos in diagrame- V.Miclaus,editura Medicala,Bucuresti 1977Compediu de reumatologie-E.Petrescu,R.Ionescu,editura Tehnica, Bucuresti 1995Revista ‘’Viata medicala’, nr.7(997)anXXI, 13 feb.2009;14(1004),3 apr.2009;26(1016), 26 iun. 2009;34(1024)21


aug.2009;51(1041),18 dec.2009;nr.9(947)an XX,29 feb.2008;30(968)25 iul.2008;16(954)18 apr.2008

.

SPECTROSCOPIA DE REZONANTA MAGNETICA NUCLEARA

Documents

Transcript of SPECTROSCOPIA DE REZONANTA MAGNETICA NUCLEARA