POLE ELEKTROMAGNETYCZNE W MEDYCYNIE

Wykład III i IV 25-10-2013 08-11-2013

Zjawisko rezonansu magnetycznego występuje, gdy substancja umieszczona w polu magnetycznym absorbuje fale elektromagnetyczną o określonej częstotliwości, przechodząca przez tą substancję

Elektronowy rezonans magnetyczny EPR (Electron Paramagnetic Resonance) Jądrowy rezonans magnetyczny NMR (Nuclear Magnetic Resonance)

Kołowy przewodnik z prądem umieszczony w jednorodnym polu magnetycznym DIPOL Moment magnetyczny obwodu prądu elektrycznego

Wektor momentu magnetycznego pokrywa się ze zwrotem i kierunkiem co wektor indukcji magnetycznej

µ=I*S

I -natężenie prądu płynącego w przewodniku

Orbitalny moment magnetyczny elektronu

µ=0,5*e*v*r

gdzie: e- ładunek elektronu v-prędkość elektronu krążącego po orbicie r-promień orbity

Orbitalny moment pędu

L=m*v*r

Elektron krążący po orbicie obraca się równocześnie dookoła własnej osi, powstaje spinowy moment magnetyczny elektronu.

µ=γ_s*L_s

Ls- spinowy moment pędu γ_s- spinowy stosunek giromagnetyczny

Za rezonansowe pochłanianie energii odpowiedzialne są cząstki energii posiadające moment magnetyczny

Zbiór momentów magnetycznych + zewnętrzne pole magnetyczne + fala elektromagnetyczna, której fotony mają określaną energii

Nastąpi absorbcja energii, która zastaje zużyta na przeniesienie cząstki na wyższy poziom energetyczny

Schemat budowy aparatury do badania wykonującego zjawisko rezonansu magnetycznego:

Generator fali e-m nadajnik detaktor rejestror

Absorbcja fali nastąpi tylko wtedy gdy jej składowa jest prostopadła do kierunku zewnętrznego pola magnetycznego

Częstotliwość rezonansowa zależy od rodzaju cząsteczek i wartości indukcji magnetycznej zewnętrznego pola magnetycznego w którym cząsteczki się znajdują

Rezonansowe pochłanianie fali elektromagnetycznej

Przeniesienie jąder na wyższy poziom energetyczny /tzn. zwiększa się w próbie liczba jader o większej energii/

Po ustaniu absorbcji

Zbiór jąder wraca do stanu równowagi /tzn. jądra pozbywają się nadmiaru energii przechodząc na niższy poziom energii PROCES RELAKSACJI

T1 szybkość relaksacji podłużnej T2 szybkość relaksacji porzecznej

T1-jądro przekazuje nadmiar swojej energii atomom lub cząsteczką ośrodka

T2- jądra p większej energii przekazują część swojej energii jądrom sąsiednim posiadającym energie mniejszą

W badaniach biomedycznych wykorzystuje się: Rezonans magnetyczny jąder wodoru ¹H, węgla ¹³C i fosforu ³¹P

1. Analiza widma NMP jąder ¹³p /spektroskopia NMR/ analiza procesów metabolicznych w tkankach

Na podstawie czasów relaksacji T1 i T2 informacje genetyczne

Informacje diagnostyczne

Tkanka nowotworowa T1>t2 tkanki zdrowotnej

T1 nowotworów złośliwych nie jest tym samym co T2 nowotworów niezłośliwych

1. NMR Obrazowanie –obrazy przekroju ciała

Rezonansowa absorbcja fal radiowych przez jądra wodoru

Pole magnetyczne wpływa na:

• Struktury ciekło-krystaliczne w błonach komórkowych

• Prądu przewodzone w układzie nerwowym

• Szybkość reakcji enzymatycznych

„H” natężenie pola magnetycznego i „t” czas jego działania jest mniejsze niż w zabiegach diatermicznych

JEDYNE NIEBEZPIECZENTWO

SILNE STAŁE POLE MAGNETYCZNE

FALE WYKORZYSTANE W TERAŹNIEJSZOŚCI

TOMOGRAFIA KOMPUTEROWA

• Wykorzystanie promieniowanie radiologiczne

• Gęstość radiologiczna definiowana jest jako stosunek natężenia fali rentgenowskiej padającej na tkankę do natężenia fali która wychodzi z tej tkanki

POZYTONOWY TOMOGRAF EMISYJNY (PET)

Pozwala:

• wnikać nawet w strukturę komórkową

• ustalić gdzie są ogniska nowotworowe,

• ocenić czy obecne przerzuty, które nie są widoczne w standardowej tomografii komputerowej

• zwiększyć precyzję ogniskowania promieniowania w radioterapii

Schemat działanie PET:

Tomograf PET rejestruje promieniowanie powstałe w trakcie anihilacji (unicestwienia) pozytonów, czyli elektronów o oddaniu ładunków (antyelektronów)

Promieniowanie przenika przez ciało ludzkie i jest rejestrowane przez specjalne detektory. Zmiany w promieniowaniu analizowane są przez komputer, który- po przetworzeniu danych- wyświetla na ekranie monitora przekrój tkanek i narządów człowieka

W PET wykorzystuje się fakt, że określonym zmianą chorobowym towarzyszy podwyższony metabolizm niektórych związków chemicznych np., cukrów ponieważ energia w organizmie uzyskiwana jest głównie poprzez spalanie cukrów, to w badaniach wykorzystuje się deoxyklugozę znakowana izotopem F-18. Najczęściej stosowanym preparatem jest F18-FDG

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE znalazło zastosowanie w medycynie w celach terapeutycznych i diagnostycznych

Oddziaływanie poł elektromagnetycznych z materii, ELEKTROTERAPIA

Zmiana pola elektrycznego powoduje zmianę pola magnetycznego

Składowe pole elektryczne i magnetyczne POLE ELEKTROMAGNETYCZNE

Drgania pól elektrycznego o magnetycznego odbywają się w płaszczyznach do siebie prostopadłych.

Fala elektromagnetyczna jest fala poprzeczną

POLE ELEKTROMAGNETYCZNE TWORZĄ SPRZĘŻONE ZE SOBĄ ZMIENNE ZMIENNE POLE ELEKTRYCZNE I MAGNETYCZNE

Pole elektromagnetyczne to przestrzeń, w której w każdym punkcie można określić wektory E (natężenie pola elektrycznego) i B (indukcja magnetyczna), a tym samym można podać wartość kierunek zwrot, siły elektromagnetycznej działającej na znajdujące się w polu ładunki elektryczne.

Wartość siły elektromagnetycznej F, która działa na ładunek znajdujący się w tym polu

F=q*(E+v*B)=q*E+q(V*B)

Pole elektromagnetyczne rozprzestrzenia się od źródła w postaci fali elektromagnetycznej.

WIDMO PROMIENIOWANIA ELEKTROMAGNETYCZNEGO:

• jonizujące /10¹⁶-10²⁷/ (nadfiolet, promieniowanie rentgenowskie i gamma, promieniowanie kosmiczne )

• niejonizujące /1-10¹⁶/ (energetyka, monitory komputerowe, radio, telefonia komórkowa, podczerwień, światło słoneczne)

E=R/Z*dB/dt

Prędkość rozprzestrzeniania się fali elektromagnetycznej:

c-prędkość światła w próżni

- względna przenikalność elektryczna

-względna przenikalność elektromagnetyczna ośrodka w którym rozchodzi się fala elektromagnetyczna

WILEKOŚCI CHARAKTERYZUJĄCE FALE ELEKTROMAGNETYCZNE

• częstotliwość

• długość fali

• gęstość strumienia energii S przenoszonej przez fale /natężenie fali/ amplitudy pól: elektromagnetycznego E_o i magnetycznego H_o

S=1/2E_oH_o [S]=[W/m²]

Źródła pola elektromagnetycznego

1. Pole elektryczne ziemi

• Wektor tego pola jest zwrócony w stronę powierzchni Ziemi

• (Ziemia jest naładowana „-‘’, górne warstwy atmosfery „+”

• Natężenie zależy od szerokości geograficznej

• Średnia wartość E=100 V/m , która maleje ekspotencjalnie z wysokością

1. Pole magnetyczne Ziemi

• Dwie składowe pionowa i pozioma

• Jest następstwem zjawisk zachodzących we wnętrzu ziemi

1. Sztuczne źródła

• Generatory drgań elektromagnetycznych które znalazły zastosowanie w przemyśle, medycynie, siłach zbrojnych w badaniach naukowych

1. Pole magnetyczne i elektromagnetyczne w organizmie człowieka

• Źródłem pól elektrycznych jest każda komórka /potencjał spoczynkowy komórek. Potencjał czynnościowy komórek nerwowych i mięśniowych/

• Źródłem pól magnetycznych są bioprądy, które towarzyszą elektrycznej czynności serca, mózgu, włókien nerwowych, siatkówki oka

Bardzo małe /słabe/ pola, wartości ich indukcji stanowią od 10^-9 (odpowiedzi wywołane) do 10^-5 (pole magnetyczne serca)- wartości pola indukcji pola magnetycznego ziemi