Ученые открыли феномен «танцующих» атомов
Создавая модель движения атомов в магнитном поле, ученым удалось преодолеть многолетний рубеж неправильного понимания ключевой компоненты магнитного резонанса.
Благодаря новому открытию медики научатся лучше контролировать процесс магнитно-резонансной томографии (МРТ) и ставить более точные диагнозы.
Открытие было представлено в научном докладе 25 ноября 2008 года в журнале Journal of Chemical Physics сотрудниками Государственного Университета штата Огайо и научно-исследовательских институтов во Франции (the Centre National de la Recherche Scientifique, the Universit? d'Orl?ans, and the Universit? de Lyon).
Ключевым фактором открытия является новое объяснение одного из физических процессов - адиабатичности. С помощью адиабатного процесса физики и инженеры обычно контролируют атомы в ядерной магнитно- резонансной (ЯМР) спектроскопии и всем хорошо известной магнитно-резонансной томографии (МРТ).
«Адиабатный процесс можно представить как систему, «крепко зажатую» и медленно перетягиваемую контролирующей силой из одного состояния в другое», говорит химик Филипп Грандинетти из штата Огайо. «В МРТ магнитная энергия держит атомы в организме пациента в неизменном состоянии, в то время как радиоволны выступают в роли контролирующей силы, которая перетягивает атомы из одного состояния в другое. «В идеальном адиабатном процессе контролирующая сила движется бесконечно медленно по траектории системы, заключенной в траектории контролирующей силы», говорит Грандинетти.
В ЯМР и МРТ используются определенные квантовые механические свойства субатомных частиц, которые называются «спинами». Ядра многих атомов, особенно водорода, вращаются подобно крохотному волчку и обладают магнитным моментом, как очень маленький стержневой электромагнит. В ЯМР и МРТ объект исследования (в медицинских целях, пациент) помещается внутрь сильного магнитного поля, которое заставляет эти крохотные волчки выстраиваться параллельно магнитному полю и прецессировать в сторону гравитационного поля.
Во время МР-томографии внутри большой трубы генерируется сильное магнитное поле. Некоторым пациентам перед процедурой дают успокоительное средство, чтобы предотвратить возможный приступ клаустрофобии. Внутри магнита каждое ядро передает сигнал, излучая радиоволны на своей уникальной прецессионной частоте, которая зависит от взаимодействия с окружающими атомами, а также от силы магнитного поля.
Взаимодействие с окружающими атомами делает ЯМР чрезвычайно полезным средством для химиков и биологов, позволяя им идентифицировать различные химические среды и молекулярные структуры.
Для МРТ ключевым является взаимодействие ядер с магнитными полями, так как сила магнитного поля варьируется в зависимости от положения, давая возможность исследователю дешифровать органы человеческого тела на разной частоте. Измеряя частоту прецессии атомов, радиолог может создавать двухмерные или трехмерные изображения, точно описывающие внутренние органы пациента.
Производя такие измерения, ученым часто приходится инвертировать ядра относительно направления магнитного поля. Инвертируя ядра атомов в теле человека, МРТ-сканнер способен определять раковые опухоли. При этом пораженную ткань можно отличить от здоровой благодаря ее слегка отличительного взаимодействия с ядерными спинами.
Здесь решающую роль играет адиабатный процесс. Инверсии часто происходят «адиабатически», подчиняя объект маломощным радиоволнам, которые распространяются в определенном диапазоне частоты. Если распространение происходит достаточно медленно, ядра в конечном итоге будут инвертированы.
«Удивительно то», говорит Грандинетти, «что на протяжении многих десятилетий адиабатное распространение происходило во многих случаях, несмотря на то, что теоретически это было невозможно. Правда, было не совсем понятно, что именно в этом противоречии заключалась проблема. Большинство ученых полагало, что стандартного теоретического подхода вполне достаточно для создания оптимального адиабатного процесса. Только после того, как стала полностью известна причина противоречия, мы поняли, что традиционный теоретический подход содержал ошибку, которая мешала открытию оптимального адиабатного процесса».
В своей последней научной работе Грандинетти вместе с коллегами разрешили этот давний паззл, представив концепцию супер-адиабатичности . Суперадиабатичность впервые была описана в 1987 году Майклом Берри, физиком-математиком из Бристольского Университета. Что касается магнитного резонанса, это открытие объясняет скрытые процессы, происходящие в ядерных инверсиях, которые ученые ранее не сопоставляли с адиабатичностью.
Грандинетти вместе с коллегами описали математический алгоритм, который можно использовать для предсказания (ранее считавшихся загадочными) движений, проделываемых ядрами на пути к искомому состоянию. Это открытие и математический алгоритм просто уникальны, так как открывают путь к новому подходу создания адиабатных процессов в магнитном резонансе и других полях.
Примером может послужить создание магнитно-резонансной техники, не требующей помещения пациента в большую камеру. Для МРТ ученые пытаются использовать поле рассеяния больших магнитов, где магнитное поле находится не только внутри камеры, но и проникает наружу. По мере отдаления от центра магнита поле становится слабее, однако, ученые работают над тем, чтобы использовать эту природную неравномерность для наблюдения внутренней структуры объектов.
«Проблема в том, что рассеянные поля весьма неоднородны по своей природе и, чтобы компенсировать этот недостаток, ученые должны контролировать причудливые танцы спинов», говорит Грандинетти. «Это как раз тот случай, когда более точный контроль суперадиабатичности может стать революцией в МРТ. Кто знает, быть может, через несколько лет вы будете спокойно сидеть рядом с этим пугающим по виду устройством, и вам не понадобится принимать успокоительное».
