ОСНОВЫ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

Основы квантовой биофизики.

 

Законы теплового излучения
Тело, коэффициент поглощения которого α = 1, называется абсолютно черным.

Серым называется тело, коэффициент поглощения которого меньше 1. Для тела человека считают .

Согласно закону Кирхгофа, отношение спектральной плотности энергетической светимости к монохроматическому коэффициенту поглощения для всех тел при данной температуре является постоянной величиной, которая равна спектральной плотности энергетической светимости абсолютно черного тела:

(1)

Cогласно (1) получаем:

(2)

Из (2) следует, что больше энергии излучает то тело, которое больше поглощает.
Связь между энергетической светимостью абсолютно черного тела и его абсолютной температурой устанавливает закон Стефана-Больцмана:

(3)

где  – постоянная Стефана-Больцмана, .

Энергетическая светимость абсолютно черного тела пропорциональна четвертой степени его температуры.

Если излучательная тело не является черным, то , де , коэффициент излучения, равный произведению постоянной Стефана-Больцмана на коэффициент , который меньше единицы.

Длина волны, на которую приходится максимум энергетической светимости, определяется по закону смещения Вина:

(4)

где – постоянная Вина,

Из (4) следует, что с увеличением температуры максимум энергетической светимости смещается в сторону коротких длин волн. За открытие законов теплового излучения в 1911 В. Вину была присуждена Нобелевская премия.
В конце XIX века был сделан ряд попыток получить формулу, выражающую плотность энергетической светимости  абсолютно черного тела как функцию длины волны  и абсолютной температуры Т:

.

(5)

Формулу, которая хорошо описывает спектральную плотность излучения абсолютно черного тела в области больших длин волн, получили Рэлей и Джинс:

В классической физике излучения и поглощения энергии рассматривались как непрерывные процессы. М. Планк пришел к выводу, что именно эти основные положения не позволяют получить правильную зависимость. Он высказал гипотезу, что черное тело излучает и поглощает энергия не непрерывно, а определенными дискретными порциями – квантами.
Рассматривая тело, излучает энергию как совокупность осцилляторов, энергия которых может изменяться только на величину, кратную ,

(6)

М. Планк получил выражение для плотности энергетической светимости абсолютно черного тела, правильно описывает излучательную способность абсолютно черного тела во всем диапазоне волн:

, або

(7)

де  – стала Планка,  – длина волны,  – абсолютная температура,  – Скорость света в вакууме,  – стала Больцмана, – Частота излучения (поглощения). Исходя из (7) можно получить законы Стефана – Больцмана и Вина.

Применение ультрафиолетового и инфракрасного излучения в медицине
Еще около 120 лет назад Н. Финзен организовал лечение больных оспой в комнатах с красным, это позволило предотвратить образование рубцов на коже. К нему уже предпринимались попытки лечить туберкулез кожи концентрированным солнечным светом. При таком лечении ткань обжигу, однако на коже образовались рубцы.

Финзен впервые, для лечения этих больных начал применять ультрафиолетовые лучи, которые, как известно, оказывает бактерицидное действие. В естественных условиях больные подвергались воздействию солнечных лучей, при лечении в помещении для этого использовалась электрическая дуга. В этом случае ожогов не было, а туберкулезные микробактерии погибали под действием ультрафиолетового излучения.

 За свои исследования Н. Финзен был отмечен Нобелевской премией по физиологии и медицине.

Ультрафиолетовое излучение охватывает участок ( промежуток) длин волн от 380 нм ( граница видимого света) и до 10 нм ( граница рентгеновского излучения). Оно делится на дальний ( 200-10 нм) и ближний ( 380-200 нм).

Ультрафиолетовое излучение (УФ) поглощается стеклом, но при длине волны 200 нм проходит через кварц, каменная соль и специальное стекло. При длинах <200 нм излучение поглощается тонким слоем произвольной вещества, даже воздухом.

В ткани организма УФ проникает на 0,1-1 мм и вызывает при этом сильную биологическую реакцию, которая проявляется в виде эритемы.
Эритемой называют интенсивное покраснение кожи, которое проявляется через 6-12 часов после облучения, позже оно переходит в светло-коричневую пигментацию – загар.

Выделяют три зоны УФ:
1. Зона А – антирахитна. Длина волны от 400 до 315 нм, имеет укрепляющее и загартовувальни действие. Используется в гигиенических и профилактических целях.
2. Зона В – эритемная. Длина волны от 315 до 280 нм, характеризуется эритемной действием, наиболее выраженная при длине волны 296,7 нм. Используется в лечебных целях.

3. Зона С – бактерицидное. Длина волны от 280 до 200 нм, отличается бактерицидным действием, наиболее выраженная при длине волны 253,7 нм. Используется для дезинфекции.

Из других биологических эффектов УФ облучения следует отметить образование витамина Д, который способствует всасыванию из кишечника и усвоению кальция, который входит в состав костей и выполняет ряд существенных физиологических функций. При недостаточном количестве витамина Д кальций, входит в состав пищи, не усваивается, и потребность в нем восстанавливается за счет кальция костей, что приводит к рахиту. Витамин Д содержится в мясе и жире животных, однако он может образовываться и в самом организме под действием УФ с длинами волн от 280 до 315 нм.
Гибель стафилококков происходит при длинах волн ~ 265 нм.

Закон Стефана – Больцмана и закон смещения Вина составляют основу медицинской термографии, которая позволяет проводить измерения температуры тела без физического контакта с ним и определяет температуру различных его участков с точностью до нескольких десятых Кельвина.

Термография – Это метод регистрации излучения от различных участков поверхности тела человека с целью определения расположения патологического очага.

Термография – это безвредный и неинвазивный метод лучевой диагностики, регистрирует инфракрасное (тепловое) излучение от поверхности тела человека. Для поверхности кожи человека, которая полностью поглощает инфракрасное излучение и, согласно закону Кирхгофа, его излучает при  . Длину волны, излучаемая кожа человека при, определяем по формуле (4):

.

Физиологической основой термографии является увеличение интенсивности теплового излучения над патологическими очагами в связи с усилением в них кровоснабжения и обменных процессов. Уменьшение интенсивности кровообращения в тканях и органах сказывается “погашением ” их теплового поля.

Контактная термографию проводят с помощью расположенных на пластической тонкой основе жидких кристаллов, которые способны менять свой цвет в зависимости от температуры. Каждый термоиндикатор имеет определенную цвето- температурную характеристику, по которой можно изучать распределение температуры на поверхности тела пациента.

Бесконтактная (дистанционная) термография регистрирует инфракрасные лучи с поверхности тела с помощью зеркала, которое направляет тепло к детектору. Детектором служит кристалл размером до 0,5 x0, 5 мм, в котором при нагревании возникают электрические сигналы усиливаются и воспроизводятся в виде изображения на экране монитора или распечатываются на бумаге.

Участок кожи человека имеет определенную температуру, которая на симметрично расположенных участках должна быть почти одинаковой, с разницей, что не превышает десятой части градуса. Изменение (увеличение или уменьшение) интенсивности инфракрасного излучения над патологическим очагом обусловлена ​​изменением (увеличением или уменьшением) интенсивности метаболических процессов и регионального кровообращения в нем. 

Если с помощью обычной термографии (в микронном диапазоне) исследуется температура поверхности тела, то в миллиметровом и дециметровом диапазонах инфракрасного спектра излучения можно оценить состояние органов человека.

Обследование неинвазивное. Информация, получаемая методами традиционной термографии, может быть значительно расширена путем применения динамического инфракрасного термокартування. Это значительно повышает диагностические возможности метода, особенно на ранних стадиях развития заболеваний.

Область применения: онкология, гастроэнтерология нейрохирургия, педиатрия, дерматология, ортопедия, ревматология, травматология, ЛОР- патология, пульмонология, ангиология, эндокринология, психология и психиатрия, воспалительные процессы, локальные опухоли, нарушения кровообращения, травмы, процессы заживления ран, психические процессы.
Противопоказаний нет, исследование может повторяться многократно. Как самостоятельный диагностический метод используется редко, обязательно сопоставление с данными клинического и рентгенологического обследований больного.

Преимуществами термографии как способа технической диагностики является универсальность, дистанцированность, быстродействие, высокая производительность и безопасность.

Приборы для термографии, тепловизоры, которые используются сегодня в термографическими диагностике, является сканирующая устройствами, состоящие из систем зеркал, фокусирующих инфракрасное излучение от поверхности тела на чувствительный приемник ( фотосопротивление с сурьмянистого индия, активированного германия, с германия с добавлением цинка, золота и ртути).

Такой приемник требует охлаждения (используется жидкий азот, жидкий водород, неон), которое обеспечивает высокую чувствительность. В приборе тепловое излучение последовательно преобразуется в электрический сигнал, который усиливается и регистрируется как полутоновые изображения.

Тело человека является источником инфракрасного излучения. Максимальная энергия излучения соответствует длине волны 9,6 мкм. У здорового человека распределение температур по телу и излучения стандартное. Воспалительные процессы, опухоли могут изменять температуру отдельных участков тела, за счет чего интенсивность излучения от них меняется. Поэтому регистрация теплового излучения от различных участков тела человека используется как диагностический метод.

Современные тепловизоры.

Тепловизор ТКВр – ИФП СВИТ является термографическими камерой третьего поколения, работающий в реальном масштабе времени. Фотоприемных элементом служит фокальная матрица полупроводниковых конденсаторов на основе арсенида индия ( InAs) ( рис. 1). Камера предназначена для измерения температур и анализа статических и переменных во времени картин теплового состояния объектов. Тепловое изображение объектов формируется специальным инфракрасным объективом и регистрируется с помощью фокальной матрицы, установленной в фокальной плоскости объектива. Фоточувствительные матрица регистрирует излучение кожных покровов человека.

В техническом отношении одним из преимуществ тепловизора “Мир” является то, что этот тепловизор построен на основе матричного ИК-детектора. Это преимущество проявляется сравнению с тепловизорами, использующими внутренние сканирующие системы и которых много еще на мировом рынке. В связи с использованием принципа накопления информационного сигнала матричные тепловизоры при прочих равных условиях выигрывают в сканирующих систем по совокупности таких параметров, как надежность чувствительность, быстродействие и пространственное разрешение.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ КВАНТОВОЙ МЕХАНИКИ

1.     Волновые свойства частиц. Гипотеза де Бройля.

Физика атомов, молекул, атомных ядер и элементарных частиц изучается в квантовой механике.  Объекты микромира, изучаемых квантовой механикой, имеют линейные размеры порядка . В основе квантовой механики лежат следующие представления:

1.     В 1900 М. Планк ( Нобелевский лауреат 1919 г.), изучая излучение черного тела, пришел к выводу о том, что энергия излучается телом определенными порциями (квантами энергии).

2. В 1905 А. Эйнштейн ( Нобелевский лауреат 1922 г.), изучая механизм фотоэффекта, предложил рассматривать излучение как поток материальных частиц, ” квантов излучения ” или ” фотонов “.
3. В 1913 г. Н. Бор ( Нобелевский лауреат 1922 г.), используя разработанную Розерфордом планетарную модель атома, ввел представление о энергетические уровни атома, объяснил закономерности линейчатых спектров.
Н. Бор предположил, что величины, которые характеризуют микромир должны кантоваться, то есть они не могут принимать любые значения, а только определенные дискретные значения кратные к постоянной Планка. Итак, законы микромира – это квантовые законы. В то время эти законы еще не были установлены наукой. Поэтому Н. Бор положил в основу своей теории постулаты, которые формулируются так:
     І. Атом может существовать только в определенных стационарных состояниях с соответствующими энергиями . В стационарных состояниях атом НЕ излучает энергию.

ІІ. Переход атома из одного стационарного состояния в другое сопровождается излучением или поглощением квантов, энергия которых определяется по формуле:, где  i – цели числа (номера стационарных состояний), – стала Планка.

     ІІІ. Радиусы  стацiонарних станiв, по яких рухається електрон масою , С скоростью, удовлетворяющих условию:де .

Постулаты Бора позволили объяснить происхождение лiнiйчастих спектров излучения i поглощения водорода, рассчитать частоты спектральных линий атома водорода.
      Стационарные состояния атома водорода (энергетические уровни) определяются по формуле:

,                                                                      (8)

     где  – маса електрона,  – его заряд,  – электрическая постоянная.

Исходя из второго постулата Бора можно найти частоты излучения атома водорода:,                                      (9)

де   і  – соответствующие энергетические уровни атома.

Состояние атома с  называется основным. В основном состоянии  атом водорода может находиться сколь угодно долго (при условии, что внешние воздействия отсутствуют). Состояния с  называются возбужденными. На рис.13. показана система переходов в атоме водорода.
А. Комптон (Нобелевский лауреат 1927 г.) в 1923 г., изучая рассеяние рентгеновских лучей на атомах вещества, установил, что оно подлежит законам упругого удара, а значит фотон обладает импульсом определенной величины. Таким образом было установлено, что помимо волновых, фотон имеет также и корпускулярные свойства.

Опыты Комптона показали, что длина волны рассеянного излучения больше длины волны  падающего излучения, причем разница зависит от угла рассеяния:

,

(10)

где  – стала Комптона,  – угол между начальным и рассеянным направлениям фотонов.

В основе квантовой механики лежит предположение о том, что волновой-корпускулярной дуализм, установленный для света, имеет универсальный характер. Впервые идея, что все частицы имеющие определенный импульс, обладают волновыми свойствами, а их движение сопровождается некоторым волновым процессом, была высказана французским физиком Луи де Бройлем (Нобелевский лауреат 1929 г.) в 1924 г.
Формула для импульса фотона:

 

(11)

была использована для других частиц массой m, движущиеся со скоростью

,
откуда ,	(12)

 где  – сталая Планка (Дж·с).

Волны, о которых идет речь, называются волнами де Бройля.
Электрон, движущийся со скоростью 40 м / с, будет иметь длину волны

,

которая может быть подтверждена экспериментом.
Формулу де Бройля экспериментально подтвердили в опытах К. Дэвисон и Л. Джермер (1927 г.), которые наблюдали рассеяние электронов монокристаллом никеля. Впоследствии Г. Томпсон и С. Тартаковский наблюдали дифракцию электронов на металлической фольге (толщиною  см) (поликристаллическое тело) (рис. 12).

Электронный парамагнитный резонанс

Если атом с магнитным моментом, отличным от нуля, поместить в магнитное поле, то каждый энергетический уровень этого атома расщепляется.
С расщеплением энергетических уровней в магнитном поле, обусловленном наличием у электронов, а также в ядерных частиц магнитных моментов, связано явление магнитного резонанса, которое играет большую роль в современных методах исследования строения и свойств вещества.
Магнитным резонансом называют выборочное поглощение энергии переменного электромагнитного поля веществом, которое находится в постоянном магнитном поле. Важным случаем резонансного поглощения является электронный парамагнитный резонанс, открытый в 1944 году Е.К. Завойским.
Явление электронного парамагнитного резонанса ( ЭПР) заключается в поглощении парамагнитным веществом микроволнового радиоизлучения за счет переходов между подуровнями зеемановское расщепление энергетических уровней. Расщепление энергетических уровней обусловлено действием постоянного магнитного поля на магнитные моменты частиц вещества.

Магнетон Бора  является единицей измерения электронных магнитных моментов:

,

(41)

определяет энергию расщепления энергетических уровней электронов в атомах, находящихся в магнитном поле.

де  – заряд,  – маса електрона,  – стала Планка. Подібно до цього, величина  определяет энергию расщепления энергетических уровней электронов в атомах, находящихся в магнитном поле.

Здесь  – Фактор Ланде, безразмерный коэффициент , если спиновый момент атома , і , если орбитальный момент атома , а полный момент атома равен спиновом момента атома .

При ЭПР рассматривают только спиновый магнитный момент атома. Расщепление энергетических уровней приводит и к расщеплению спектральных линий атомов, находящихся в магнитном поле. Это явление называют эффектом Зеемана.
Расстояние между соседними подуровнями определяется по формуле:

(42)

Расщепление энергетических уровней обусловлено действием постоянного магнитного поля на магнитные моменты электронов, которые определяют парамагнитные свойства вещества. Существует большая ориентация магнитных моментов атомов вдоль направления магнитного поля, соответствует намагниченном состояния парамагнитной вещества. При наложении на вещество переменного магнитного поля с

,

(43)

которая совпадает с частотой перехода между подуровнями зееманивського расщепления, происходить резонанс поглощения электромагнитных волн.
Он обусловлен преобладанием числа переходов из более заселенных нижних энергетических уровней на менее заселенные верхние уровни. Поглощение пропорциональное числу поглощающих атомов в единице объема вещества.При индукцииВ=10³ мТл резонансная частота  Гц, что соответствует радиодиапазона шкалы электромагнитных волн (l=3см).

График зависимости мощности  поглинутої електромагнітної енергії від індукції магнітного поля В називають спектром ЕПР (рис. 24).

При ЭПР, наряду с поглощением энергии, имеет место обратный процесс. Происходят переходы атомов на более низкие энергетические уровни, а их энергия передается кристаллической решетке. Этот процесс называют спин-решеточного взаимодействия и характеризуют временем релаксации . Итак, резонансное поглощение происходит в некотором интервале . Чем меньше время спин-решеточной релаксации, тем больше ширина линии.
В медико – биологических исследованиях метод ЭПР используется для обнаружения и исследования свободных радикалов, фотохимических процессов, в частности фотосинтеза, канцерогенности некоторых веществ. Если исследуемые объекты имеют диамагнитные свойства, то используют парамагнитные метки (радикалы кислорода), которые связываются с молекулами исследуемого объекта. По спектрам ЭПР находят положение такой метки в молекуле. Таким способом можно выявлять расположение различных групп атомов, их взаимодействие и движение. Также используются спиновые зонды – парамагнитные частицы, нековалентно связаны с молекулами. Изменение ЭПР – спектра спиновых зондов дает информацию о состоянии окружающих его молекул. Основными параметрами ЭПР спектра является интегральная интенсивность, полуширина линий и – фактор.
Интегральная интенсивность сигнала – это площадь под кривой поглощения. Она является мерой числа неспаренных электронов ( свободных радикалов), находящихся в исследуемом образце.

Положение линии поглощения в спектре определяется – фактором и позволяет идентифицировать частицу. Полуширина линий действует возможность определить расщепление энергетических уровней. Расширение резонансной полосы может быть обусловлено спин – спиновой и спин – решеточной взаимодействиями. Характеристикой взаимодействия является время релаксации. Расширение полосы, обусловленное спин – спиновой взаимодействием, пропорционально расстоянию между парамагнитными частицами, поэтому можно с полушириной полосы выявить размещения парамагнитных центров в образце, а также структуру парамагнитных молекул.

Резонансные методы квантовой механики. Ядерный магнитный резонанс. ЯМР – томография.

В основе техники ядерного магнитного резонанса ( ЯМР) лежит метод коллективного поглощения электромагнитной энергии веществом, обусловленное квантовыми переходами атомных ядер между энергетическими состояниями с разными ориентациями спина I ( собственного момента импульса) атомного ядра. Наблюдается ЯМР, когда вроде действуют взаимно перпендикулярные магнитные поля: интенсивное В0 и слабое радиочастотное В1 ( 10-10 Гц). Известно, что ядра всех элементов имеют электрический заряд, положительный и равен по абсолютной величине сумме зарядов атомных электронов. Благодаря спина ядро при вращении действует как элементарный магнит ( рис. 24). Итак, ядро характеризуется магнитным моментом, величина которого зависит от природы ядра. Ядра с четным числом протонов и четным числом нейтронов не имеют спина и магнитного момента, тогда как ядра с четным числом протонов и нечетным числом нейтронов имеют спин и дипольный магнитный момент и. Если образец разместить в интенсивном однородном магнитном поле В₀, все диполи начинают прицесировать вокруг направления магнитного поля.

Причем, одна группа диполей проявляет суммарную ориентацию вдоль магнитного поля, тогда как вторая – против поля (рис. 27). Следует отметить, что в состоянии равновесия количество диполей, ориентирующихся вдоль поля, превышает количество противоположно ориентированных диполей. Это можно пояс ¬ нить тем, что в основном энергетическом состоянии, когда магнитные диполи ориентируются вдоль магнитного поля, энергия ядра меньше, чем в возбужденном, которому присуща ориентация, противоположная магнитному полю.

 

Благодаря прецессии образуется переменный магнитный момент (рис. 26), который вращается в плоскости, перпендикулярной В0. Поле В1, вращающейся в той же плоскости с частотой в, взаимодействует с моментом μ; эта взаимодействия становится заметной, если ω ~ ω0, а направление вращения μ и В1 одинаковы. Правила отбора определяют лишь определенную ориентацию магнитного момента относительно направления магнитного поля В0: для спина И возможные 2И + 1 разрешенных ориентаций, а именно и, ( I – 1),… – ( И – 1), – И. Так, для изотопов 1Н и 13С, спин которых I = 1 /2, разрешены ориентации, соответствуют значением +1 / 2 и -1 / 2. Для изотопов, спин которых I = 2, количество разрешенных энергетических уровней составляет 2 И + 1 = 5. Разность энергий ΔЕ между соответствующими уровнями пред ¬ рцийна магнитной индукции ( рис. 29): ΔЕ = γћВ0.

Магнитные моменты ядер является суммой магнитных моментов нуклонов. Единицей измерения магнитных моментов нуклонов является ядерный магнетон  

 

,

(44)

где  і – заряд и масса протона, которая в 1836 раз больше массы электрона. Ядерный магнетон, таким образом, соответственно в 1836 раз меньше магнетона Бора.

При наличии внешнего магнитного поля с индукцией в проекции на ось магнитных дипольных моментов протона и нейтрона соответственно равны:

Отрицательный знак проекции магнитного момента нейтрона указывает, что он направлен против направления момента импульса. Магнитный момент ядра в постоянном магнитном поле может принимать только дискретную ориентацию. ЯМР происходит на ядрах, имеющих спин . Они ориентируются в направлении поля или против него. Это означает, что энергии ядра будут отвечать подуровни энергии, расстояние между которыми зависит от индукции магнитного поля.

(45)

де  – ядерный фактор Ланде.

Если на ядро ​​подействовать электромагнитным полем, то можно вызвать переходы между подуровнями. Чтобы осуществить эти переходы, а также поглощение энергии электромагнитного поля, необходимо чтобы его частота удовлетворяла условие:

(46)

аналогичное условию (36) для ЭПР. ЯМР можно наблюдать при выполнении условия (36) только на свободных атомных ядрах. Экспериментальное значение ядер в атомах и молекулах не соответствует (36). Необходимо учитывать локальное магнитное поле окружения ядер. Поэтому полное эффективное магнитное поле, действующее на ядро​​, характеризуется функцией:

(47)

где  – стала экранирование, которая по порядку величины равна  и зависит от электронного окружения ядер. Следовательно, для данного типа ядер, находящихся в разном окружении, резонанс наблюдается при различных частотах, что и определяет химический сдвиг. Если ядра в молекуле экранированные по-разному, то они занимают химически эквивалентны положение.

Спектр ЯМР такой молекулы содержит столько резонансных линий, сколько химически неэквивалентных групп ядер данного типа есть в молекуле. Интенсивность каждой линии пропорциональна числу ядер в данной группе. Спектры твердых тел имеют большую ширину нежели спектры жидкости.
По числу и положению спектральных линий можно установить структуру молекул.
Схему ЯМР – спектрометра приведены на рис. 28. Чувствительность, с которой воспринимается ЯМР – сигнал, зависит от природы изотопа и разницы заселенностей основного и возбужденного уровней. Техника ЯМР используется для оценки т взаимодействия клеточной воды с мембранами или макромолекулами.

Магнитно – резонансная томография (МРТ)

Ядра фосфора, фтора, водорода и других элементов, содержащихся в организме человека, подобные ” волчка “, которая вращается вокруг своей оси. Если поместить их в постоянное магнитное поле, то оси ” волчка ” ориентируются в направлении линий индукции поля: одни вдоль поля, другие – против него. Если перпендикулярно приложить переменный высокочастотный сигнал ( радиоволны), то ” ядерные волчка ” получают энергию и вращаются вокруг силовых линий магнитного поля на четко определенной резонансной частоте (отсюда и название -ядерный магнитный резонанс).
После выключения тока, ядра по инерции еще некоторое время продолжают прецессию. Постепенно это движение ослабляется, но все время говорят, что ” звучит ” спиновое эхо. По значению и скоростью его спада можно судить о свойствах вещества: чем больше плотность, тем быстрее затихает эхо.
Пусть объект находится в магнитном поле определенной формы и индукции. Раскачав ” ядерные волчка “, будем регистрировать их спиновое эхо. Обработав на ЭВМ результаты измерений, получим пространственное распределение концентрации ядер, а также время, в течение которого успокаивается спиновое эхо – ЯМР – томограмму. Вода – основная составляющая часть биологических объектов, поэтому исследуемым сигналом при ЯМР – томографии является сигнал протонного магнитного резонанса молекул воды.
Частота ЯМР пропорциональна индукции внешнего магнитного поля и поэтому, создавая градиент поля в ткани, получаем спектр ЯМР, в котором интенсивность сигнала определенной частоты будет характеризовать относительное содержание воды в той части ткани, которая находится в области определенного значения магнитного поля.
Исследуемый биологический объект рассматриваются с разных сторон в магнитном поле. По полученным проекциями, используя компьютер, получают изображение. В разных частях образца будет разная амплитуда ЯМР – сигнала, и это дает возможность исследовать каждую точку биологического объекта. Таким способом можно выявить размер и положение опухолей в организме. Тканям опухолей свойственна большая намагниченность, поэтому сигнал ЯМР воды опухоли насыщается легче, чем сигнал нормальной ткани. Такой метод исследования можно использовать для получения изображений органов внутри грудной клетки или определенных участков в области черепа. Кроме исследования протонного резонанса, в биологических исследованиях используют спектроскопию ЯМР на других ядрах: и тому подобное.

Если ЯМР – томограф установить на определенную частоту радиоизлучения и индукцию поля, то отреагируют ядра типа атомов, например, водорода, фосфора. Таким образом, ЯМР – томография позволяет исследовать тонкие химические процессы в биотканях человека. ЯМР – томография имеет не только большие диагностические возможности, но и гарантирует полную безопасность для пациента. Это метод визуализации и точных измерений внутренних структур сложных объектов без их разрушения.

В современных МРТ, в основном, частота переменного магнитного поля определяется для атомов водорода, следовательно, чем больше атомов водорода будет иметь исследуемая ткань, тем сильнее МР- сигнал мы получим. Анатомические области с малой плотностью водорода, например, воздух, кости индуцируют очень слабый МР- сигнал и на компьютерном изображении темные. Области с большой плотностью более яркие. Подвижные ткани не генерируют МР- сигнала, поэтому просвещения сосудов и камеры сердца темные.
Таким образом, магнито – резонансная томография – это послойное исследование морфологии тканей, где яркость изображения зависит от вида тканей. На МРТ- изображениях различают области размером 2-4 мм.