SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA EKSPERIMENTALNE METODE U MODERNOJ FIZICI

1. Prirodno-matematički fakultet Odsjek za fiziku SEMINARSKI RAD IZ PREDMETA EKSPERIMENTALNE METODE U MODERNOJ FIZICI PRIMJENA NUKLEARNE MAGNETNE REZONANCE Profesor: Doc.dr. Maja Đekić Student: Alma Pašić Januar,2014.

2. Sadržaj: -UVOD -PRIMJENA NMR 1.Primjena u medicini 2.Primjena u hemiji 3.Primjena u naftnoj industriji 4.Primjena u biologiji 5.Primjena u prehrambenoj industriji -ZAKLJUČAK -LITERATURA

3. UVOD Nuklearna magnetska rezonancija (NMR) je spektroskopijska metoda kojom se mjere promjene usmjerenja magnetnog momenta jezgre u vanjskom magnetnom polju, a dobiju informacije o strukturnim i dinamičkim svojstvima molekula bilo da su slobodne ili vezane. Metoda nuklearne magnetske rezonance jedna je od metoda s najširom primjenom. Razvijena je najprije u okviru nuklearne fizike, zbog praćenja nuklearnog magnetizma, ali se širi neočekivano i u fizici čvrstog stanja, hemiji, biologiji, da bi postala najsavršenija metoda za trodimenzionalno snimanje unutrašnjosti ljudskog tijela. U fizici čvrstog stanja NMR tehnika je moćna u istraživanju mikroskopskih elektronskih i magnetnih svojstava materijala koja uključuju mjerenja lokalnih spinskih pobuđenja na atomskim pozicijama i pobuđenja naboja. NMR je od otkrića visokotemperaturnih provodnika jedna od glavnih metoda za istraživanje niskoenergijskih pobuđenja u ovim materijalima.

4. PRIMJENA NMR NMR se u šest desetljeća otkako je otkrivena, proširila iz fizike u hemiju, biohemiju, medicinu, biologiju, geologiju, i dr. NMR je danas od primarne važnosti za hemiju (organsku, analitičku, farmaceutsku, nauku o materijalima, petrohemiju, itd.) kao nezaobilazna metoda identifikacije i određivanja strukture, ali i za fiziku zbog izučavanja dinamike i svojstava molekula u tečnom i čvrstom stanju. NMR ima i važno mjesto u medicini, kao MRI (Magnetic Resonance Imaging) u dijagnostici, te kao MRS (Magnetic Resonance Spectroscopy) za kliničke pretrage i praćenje metaboličkih procesa.

5. 1.Primjena u medicini Magnetna rezonanca je neinvazivna, bezbolna dijagnostička metoda koja je u najvećem broju slučajeva superiorna u odnosu na druge dijagnostičke metode. Magnetna rezonanca omogućava razlikovanje zdravog od bolesnog tkiva i precizno postavljanje dijagnoze kao i praćenje efekata sprovedene terapije. Magnetnom rezonancom se mogu pregledati svi dijelovi tijela, ali ne mogu se pregledati pacijenti koji imaju npr. pejsmekere, impante, itd. Umjesto radioaktivnih (X) zraka koji se upotrebljavaju pri kompjuterizovanoj tomografiji mozga, MR se koristi magnetnim i radio-talasima.

6. Dio tijela se stavlja u područje jakog magnetnog polja. Kako je naše tijelo uglavnom građeno od vode koja sadrži veliku količinu vodonikovih jona, pod uticajem magnetnog polja protoni se u vodonikovim atomima postavljaju uporedo s magnetnim poljem. Tada se emituju radio-talasi (upotrebljavaju se radio-talasi 10000 do 30000 puta jači od normalnoga Zemljinog magnetnog polja), koji prolaskom kroz naše tijelo pomjeraju protone u vodonikovim atomima iz njihovog položaja. Prestankom emitovanja radio-talasa protoni se vraćaju u liniju uporednu s magnetnim poljem i pri tome se emituju signali koji se odlaskom u kompjuterski skener pretvaraju u sliku. Tkivo koje sadrži više vodonikovih jona, kao voda i masno tkivo, na MR slici prikazuju se vrlo svijetlo.

7. Magnetna rezonantna angiografija (MRA) je „imaging“ tehnika (tehnikaslikovitog prikaza) na bazi magnetne rezonance   (engl. Magnetic Resonance Imaging) koja se koristi u dijagnostici promjena na krvim sudovima. MRA se najčešće koristi za procjenu stanja arterija vrata i mozga, grudnog koša i trbušne aorte, arterija bubrega,nogu.. Magnetna rezonantna angiografija (MRA) -koristisnažno elektromagnetno polje, koje proizvodi radio-talase koji se generišu uzpomoć računara i računarskih programa u detaljne slike. MR angiografija ne koristi  jonizujuće zračenje  rentgena te je znatno bezbjednija metoda i može se češće ponavljati u dijagnostici istih bolesnika.

8. Kontraindikacije i indikacije Neka stanja i bolesti su kontraindikacija za primjenu MR, a najčešće su: - Klaustrofobija (strah od zatvorenog prostora),postojanje stranog tijela, prije svega stranog tijela od gvožđa u tijelu. - Metalni implantati i drugi metalni predmeti kada se izlože jakom magnetnom polju mogu se namagnetisati, ili oštetiti jakim radio frekventnim talasima. Takođe može doći do njihovog zagrijavanja i nastanka opekotina. - trudnoća i dojenje - tetovaže i stalna šminka - brzo-pokretni organi (srce) - Osobe koje ulaze u prostoriju za MRT ne smiju imati sa sobom akustičke aparate i metalne predmete.Elektronski i mehanički uređaji – mogu biti izloženi jakom magnetnom polju i radio talasima i prestati sa radom.

9. Indikacije: • Neurološke bolesti • Bolesti kičme i kičmene moždine • Kardiovaskularne bolesti • Plućne embolije i druge bolesti pluća • Bolesti trbuha i karlice • Bolesti kostiju, zglobova i mišića.

10. Oprema Osnovne komponente aparata su : - Tunel sa magnetima - Magnet, radiotransmiter velike snage - Radiofrekventni kalemovi - Računar (kompjuter) za obradu podataka

11. Tunel sa magnetima Tijelo aparata za MRT sastoji se od velikog cilindra u obliku tunela (cijevi ili prstena), koji na krajevima može biti zatvoren ili otvoren. Cilindar je okružen kružnim magnetima koji proizvode magnetno polje u čijem središnjem dijelu se nalazi ležaj za smještaj pacijenta. Takođe iznad cilindra ili prstena, aparata, prema plafonu, aparat se nastavlja nekom vrstom cijevi, sličnoj dimnjaku, kroz koju prolaze razni kablovi, sistemi za hlađenje i provjetravanje i protivpožarni sistemi. Unutrašnjost aparata ima sav komfor za pacijenta (kao što je osvjetljenje, ventilacija …) i sredstava komunikacije između pacijenata i ljekara (mikrofon i zvučnike). Njen unutrašnji prečnik varira neznatno, zavisno od proizvođača i modela, ali je oko 60 cm u prečniku.

12. Magnet, radiotransmiter velike snage Magnet je srce aparata i ujedno najskuplji dio magnetne rezonance (MRT). Unutrašnjost magneta je u obliku tunela, a izrađen je od superprovodljive žice, dužine nekoliko kilometara koja se hladi tečnim helijumom na temperaturi blizu apsolutne nule (-273,15°С ili 0 K). Njegova uloga je da proizvede konstantno i trajno magnetno polje, koje je paralelno sa uzdužnom osom bolesnika koji leži u magnetnom tunelu. Što je polje jače (3 T i više), takođe rastu i dielektrični efekti samog tkiva što otežava snimanje. Ipak, povišen nivo signala omogućava snimanje u većoj rezoluciji (sa više detalja) i tanjih slojeva. Jačina magnetnog polja koje se koristi u MR mjeri se jedinicom „tesla“ (T). Jačina ovih uređaja kreće se od 0,1 do 8,5 T. U kliničke svrhe koriste se magneti jačine između 0,1 i 4,0 T, (najčešće između 0,5 i 1,5 T) a u eksperimentalnim laboratorijama i do 8,5 T, pa i više)

13. Jedna od osnovnih komponenti MR aparata su kalemovi. Njihova svrha je da prenesu radio frekventne impulse do tkiva i / ili registruju dolazne signale. U trenutku rotacije protona oko ravni jakog magnetnog polja indukuje se električna struja (MR signal) koju registruju namotaji koji se postavljaju oko dijelova tijela koji se snimaju. Tako nastaje kontrastna rezolucija dobijene slike, odnosno mogućnost da se pojedina tkiva razlikuju zavisno o jačini magnetizacije odnosno od jačine električnog signala na namotajima smještenim oko dijelova tijela koji se snimaju. Ako se namotaji spoje sa električnom sijalicom, sijalica će zasvijetliti (što zavisi od jačine magneta i karakteristika tkiva). Radiofrekventni kalemovi

14. Računar (kompjuter) za obradu podataka Svi dobijeni podaci računarski se obrađuju i proizvode se serijski snimci slojeva tkiva u sve tri glavne ravni ili kombinacijom tih ravni, što omogućava dobijanje kontrastne rezolucije i savršene prostorne rezolucije što je vrlo važno hirurzima prije planiranja operativnog ili nekoga drugog invanzivnog zahvata.

15. Nuklearnu magnetsku rezonancu je moguće koristiti za mjerenje masti ili topljivih sastojaka mliječnih proizvoda. Ova spektroskopska tehnika je osjetljiva na promjene u molekuli i pruža mnoštvo informacija. Može biti bolji izbor od spomenutih spektroskopskih tehnika za ispitivanje heterogenih sistema i velikog broja uzoraka. Glavni nedostatak je složenost opreme. 2.Primjena u hemiji

16. 3.Primjena u naftnoj industriji Spektroskopija NMR u naftnoj industriji sudjeluje u određivanju sastava nafte i destilata, analizi sastava komercijalnih proizvoda (motornih benzina, dizelskih goriva, avionskih goriva, petroleja), analizi plinskog kondenzata, teških ostataka nafte, itd. Spektroskopija NMR ima značajnu ulogu u istraživanju strukture organskih naftno-geohemijskih supstrata. Od posebnoj značaju su istraživanja strukture čvrstih uzoraka sa geohemijskog aspekta. Poznavanje sastava motornih i dizelskih goriva važno je za predviđanje kvalitete i ekoloških svojstava krajnjeg komercijalnog proizvoda.

17. 4.Primjena u biologiji Primjena magnetnih metoda u biofizici je vrlo raširena. Moguće je posmatrati tok različitih hemijskih reakcija i dinamičkih procesa bitnih za život. Nadalje, moguće je posmatrati i efekte oksidacije u različitim biološkim sistemina. NMR-om se najčešće snimaju jezgre vodika, kojih ima u izobilju u biološkim uzorcima. Mjerenjem spektra moguće je odrediti hemijsko okruženje u kojem se nalazi vodikov atom. NMR mjeri trodimenzionalne strukture proteina u otopini.

18. NMR korišten u kvalifikaciji fizikalnih i hemijskih svojstava hrane predstavlja moćno oružje za unapređenje kvaliteta hrane, određivanje masti, vlage i šećera u prirodnim proizvodima (zrelost i kvaliteta voća i povrća), sadržaj ulja i vlage u žitaricama, određivanje masti i vlage u prerađenoj hrani (pekarskim proizvodima), utvrđivanje autentičnosti voćnih sokova i vina, kontrola kvalitete biljnjih ulja, karakterizacija proteina i šećera, ... 5.Primjena u prehrambenoj tehnologiji analizator mlijeka i mliječnih proizvoda

19. Zaključak Do današnjeg dana nisu poznati štetni biološki efekti, tako da se mogu pregledati djeca, trudnice i druge rizične grupe. Djecu ispod 5 godina i nemirne pacijente potrebno je pregledati pod anestezijom, kako bi dobili kvalitetne snimke za postavljanje dijagnoze. Za vrijeme pregleda bolesnik treba da leži potpuno mirno, jer i najmanjipokret remeti sliku i njenu interpretaciju. Pacijentu se mora objasniti da je pregled bezbolan, te da je preko video kamere (mikrofona) pod stalnim nadzorom i u kontaktu s medicinskim osobljem.Za većinu bolesnika nije potrebna nikakva prethodna priprema. Poželjno je da se pregled trbušnih i karličnih organa obavlja na tzv. “prazan stomak”. NMR se primjenjuje u: medicini (MRI), hemija( STRUKTURA), analiza uzoraka bez oštećivanja, analiza dinamike uzorka, naftna industrija, NMR polja Zemlje, magnetometri, NMR kvantni kompjuteri...

20. Literatura 1.www.wikipedia.org 2.www.cis.rit.edu/htbooks/nmr 3.KLINICKA RADIOLOGIJA 1, Osnovi radiologije,Beograd, 1992, autori: prim. dr Momčilo Živković, mr sci. med. dr Zorica Živković, ass. mr sci. med. dr Zoran Vukašinović 4.http://www.centar-zdravlja.com/clanci/pregledi-dijagnoze-i zahvati /8/1257/ kompjuterizirana-tomografija-ct/priprema-bolesnika/3/ 5. http://primenanmrumedicini.wordpress.com