| Об авторе |
| Предисловие |
| Благодарности |
| Глава 1. | Введение |
| | § 1.1. | Томография и спектроскопия |
| | § 1.2. | Ядерный магнетизм |
| | § 1.3. | Резонанс |
| | § 1.4. | Шпионы за работой |
| | § 1.5. | Немного о жаргоне |
| Глава 2. | Возбуждение магнитного резонанса |
| | § 2.1. | Оборудование |
| | § 2.2. | Магнит |
| | § 2.3. | Радиочастотное излучение |
| | § 2.4. | Поляризация |
| | § 2.5. | Вращающаяся система координат |
| | § 2.6. | Векторное представление |
| | § 2.7. | Сигнал свободной прецессии |
| | § 2.8. | Неоднородность магнитного поля |
| | § 2.9. | Жесткие и мягкие импульсы |
| Глава 3. | Регистрация сигнала магнитного резонанса |
| | § 3.1. | Сигнал магнитного резонанса |
| | § 3.2. | Радиочастотная катушка |
| | § 3.3. | Усиление |
| | § 3.4. | Квадратурное детектирование |
| | § 3.5. | Выборка сигнала во временн\'ом представлении |
| | § 3.6. | Динамический диапазон |
| | § 3.7. | Преобразование Фурье |
| | § 3.8. | Отображение результатов |
| Глава 4. | Релаксация |
| | § 4.1. | Спин-решеточная релаксация |
| | § 4.2. | Релаксационные кривые |
| | § 4.3. | Кросс-релаксация |
| | § 4.4. | Спиновая температура |
| | § 4.5. | Спин-спиновая релаксация |
| | § 4.6.Взаимосвязь между T1 и T2 |
| Глава 5. | Чувствительность |
| | § 5.1. | Фактор Больцмана |
| | § 5.2. | Катушка приемника |
| | § 5.3. | Образец |
| | § 5.4. | Тепловой шум |
| | § 5.5. | Сглаживание |
| | § 5.6. | Временн\'ое усреднение |
| | § 5.7. | Артефакты |
| | § 5.8. | Гиперполяризованные системы |
| | § 5.9. | Заключение |
| Глава 6. | Разрешающая способность |
| | § 6.1. | Естественная ширина линии |
| | § 6.2. | Инструментальные ограничения |
| | § 6.3. | Пациент |
| | § 6.4. | Улучшение разрешения |
| Глава 7. | Химический сдвиг |
| | § 7.1. | Химические сдвиги |
| | § 7.2. | Теория экранирования |
| | § 7.3. | Эмпирический подход |
| | § 7.4. | Эталон |
| | § 7.5. | Ядра, отличные от водорода |
| | § 7.6. | Влияние растворителя |
| | § 7.7. | Лантаноидные сдвигающие реагенты |
| | § 7.8. | Быстрый и медленный химический обмен |
| | § 7.9. | Водородная связь |
| | § 7.10. | Изотопные сдвиги |
| | § 7.11. | Химические сдвиги в МРТ |
| Глава 8. | Спин-спиновое взаимодействие |
| | § 8.1. | Спин-спиновое взаимодействие |
| | § 8.2. | Спиновые мультиплеты |
| | § 8.3. | "Расщепление" и "взаимодействие" |
| | § 8.4. | Сильное взаимодействие |
| | § 8.5. | Подавление взаимодействия |
| Глава 9. | Спиновое эхо |
| | § 9.1. | Обращение времени? |
| | § 9.2. | Градиентное эхо |
| | § 9.3. | Эхо Карра--Парселла |
| | § 9.4. | Диффузия |
| | § 9.5. | Эхо Хана |
| | § 9.6. | Стимулированное эхо |
| | § 9.7. | Модуляция эха |
| | § 9.8. | Эффекты компенсации |
| Глава 10. | ЯМР в твердых телах |
| | § 10.1. | Диполь-дипольное взаимодействие |
| | § 10.2. | Вращение под магическим углом |
| | § 10.3. | Многоимпульсные методы |
| | § 10.4. | Дипольное подавление |
| | § 10.5. | Кросс-поляризация |
| | § 10.6. | Частично ориентированные жидкости |
| Глава 11. | Двумерная спектроскопия ЯМР |
| | § 11.1. | Установление корреляций с помощью двойного резонанса |
| | § 11.2. | ЯМР в двух частотных измерениях |
| | § 11.3. | Обменная спектроскопия (EXSY) |
| | § 11.4. | Кросс-релаксация (NOESY) |
| | § 11.5. | Корреляционная спектроскопия (COSY) |
| | § 11.6. | Эксперименты Хартмана--Хана |
| | § 11.7. | Гетероядерная корреляция |
| | § 11.8. | Перенос поляризации (INEPT) |
| | § 11.9. | Многоквантовая спектроскопия |
| | § 11.10. | Молекулярная топология (INADEQUATE) |
| | § 11.11. | Разделение параметров ЯМР |
| | § 11.12. | Диффузионно-упорядоченная спектроскопия (DOSY) |
| Глава 12. | Магниторезонансная томография |
| | § 12.1. | Основные принципы |
| | § 12.2. | Градиенты магнитного поля |
| | § 12.3. | Выбор среза |
| | § 12.4. | Считывание |
| | § 12.5. | Фазовое кодирование |
| | § 12.6. | Концепция $k$-пространства |
| | § 12.7. | Эхо-планарная томография |
| | § 12.8. | Томография в трех измерениях |
| | § 12.9. | Контрастность |
| | § 12.10. | Артефакты движения |
| | § 12.11. | Магниторезонансная ангиография |
| | § 12.12. | Диффузия |
| | § 12.13. | Магниторезонансная микроскопия |
| Глава 13. | Насколько безопасна магниторезонансная томография? |
| | § 13.1. | Магнитное поле |
| | § 13.2. | Свободно-радикальные реакции |
| | § 13.3. | Переменные во времени магнитные поля |
| | § 13.4. | Нагрев радиочастотным полем |
| | § 13.5. | Заключение |
| Глава 14. | Магниторезонансная спектроскопия |
| | § 14.1. | Получение спектров ЯМР in vivo |
| | § 14.2. | Спектроскопия фосфора-31 |
| | § 14.3. | Поверхностные катушки |
| | § 14.4. | Другие типы ядер |
| | § 14.5. | Методы локализации |
| | § 14.6. | ISIS (спектроскопия in vivo с выбором изображения) |
| | § 14.7. | PRESS (спектроскопия с точечным разрешением) |
| | § 14.8. | STEAM (режим съемки со стимулированным эхом) |
| | § 14.9. | Томография химических сдвигов |
| Глава 15. | ЯМР высокого разрешения жидкостей тела |
| | § 15.1. | Встреча химии и медицины |
| | § 15.2. | Плазма крови |
| | § 15.3. | Токсичность |
| | § 15.4. | Заболевания |
| | § 15.5. | Метаболизм лекарственных препаратов |
| Глава 16. | Поиск новых лекарств |
| | § 16.1. | Скрининг |
| | § 16.2. | Стратегии разработки |
| | § 16.3. | Идентификация молекул |
| Глава 17. | Функциональная томография головного мозга |
| | § 17.1. | Кровоток |
| | § 17.2. | Кислород крови |
| | § 17.3. | Поиск сигнала |
| | § 17.4. | Шкала времени |
| | § 17.5. | Дегенеративные патологические изменения мозга |
| | § 17.6. | Как работает мозг? |
| Литература |
Рэй Фримэн -- один из тех людей, которые во многом определили развитие
современного ЯМР и его приложений. Заслуженный профессор Кембриджского
университета, один из наиболее выдающихся ученых, который сыграл
значительную роль во многих важных разработках в области магнитного
резонанса в течение последних 45 лет.
Фримэн окончил химический факультет Оксфордского университета, докторскую
степень (по ЯМР тематике) получил у профессора Р.Е.Ричардса. После двух лет
работы во Французской комиссии по атомной энергии в Саклей (Франция) он
переходит в Национальную физическую лабораторию в Теддингтоне (Миддлсекс),
а в 1961 году начинает работать в компании "Вариан" в Пало-Альто (Калифорния).
Основными направлениями его исследований стали разработка методологии ЯМР,
создание коммерческих спектрометров и новой техники спектроскопии ЯМР
с преобразованием Фурье.
В 1973 году его приглашают читать лекции в Оксфордский университет и колледж
Магдалены, где в лаборатории физической химии создается группа разработки
методологии ЯМР. Рэй Фримэн участвовал в разработке большей части наиболее
значимых экспериментальных методик современного ЯМР. В числе его сотрудников
и коллег по лаборатории Г.Боденхаузен, Г.А.Моррис, Д.Л.Тернер, М.Г.Левит, Э.Бакс и множество других известных ученых.
В 1979 году Рэй Фримэн стал членом Королевского общества (академии наук
Великобритании). В 1987 году он оставил лабораторию и был избран на должность профессора
Кембриджского университета, которую занимал до 1999 года. В 2002 году ему
была присуждена Золотая медаль Королевского общества по химии "за признание
его выдающегося вклада в разработку и понимание методов ядерного магнитного
резонанса".
В последнее время Фримэн официально отошел от дел, но продолжает заниматься
научными исследованиями и популяризацией магнитного резонанса. Вышедшие
ранее "Настольная книга ядерного магнитного резонанса" (1997)
и "Хореография спина" (1997) были высоко оценены за их ясный, элегантный
и четкий стиль.
Хотя основополагающие принципы магнитного резонанса одинаковы, в большинстве
книг вопросы применения его в химии или в медицине обсуждаются
по отдельности. В настоящей книге эти разные предметные области рассматриваются
в тесном переплетении. Она одинаково привлекательна как для специалистов,
так и неспециалистов. Несмотря на то что в последние годы был издан ряд
книг по данным дисциплинам, мы уверены, что каждый, кто интересуется
магнитным резонансом и его приложениями, найдет данную книгу одним из лучших
и наиболее понятно написанных введений в предмет.
Волынкин В.А., Болотин С.Н.,
Пащевская Н.В., Панюшкин В.Т., Черныш Ю.Е.
Одним из наиболее ярких примеров использования высоких технологий
в здравоохранении является магниторезонансный сканер (томограф): прибор для
исследования внутренней структуры тела человека без хирургического
вмешательства. Для получения изображения используют магнитные свойства ядра
атома. Те же принципы лежат и в основе спектроскопии ядерного магнитного
резонанса высокого разрешения (ЯМР), с помощью которой химики определяют
архитектуру молекул, частиц настолько малых, что их нельзя рассмотреть даже под
самым мощным микроскопом.
В главах 1--9 этой книги изложены основы магнитного резонанса. Эти главы
подготовят читателя к изучению химических и медицинских приложений магнитного
резонанса, представленных в остальных главах, при этом предусмотрена обширная
система перекрестных ссылок между главами. Основной упор был сделан
на упрощении описания настолько, насколько это возможно. Цитирование научной
литературы сведено к минимуму, однако в конце каждой главы имеется список
литературы для дальнейшего прочтения. Поскольку практикующие врачи, химики
и специалисты в области магнитного резонанса имеют свой специфический жаргон,
я также старался, настолько, насколько возможно, избегать использования
сокращений и акронимов.
Главной целью было сделать текст книги понятным для широкого круга читателей:
от практикующих врачей, с одной стороны, до начинающих студентов-химиков --
с другой. Широкое понимание основ магнитного резонанса представляет интерес как
для врачей, использующих маниторезонансные томографы, так и для их пациентов,
желающих узнать о нем больше, даже если это является для них лишь вопросом их
персональной безопасности.
Для многих медиков может оказаться полезной общая оценка того, как далеко
продвинул ЯМР высокого разрешения наши знания в областях биохимии человека,
медицинской диагностике и поиске новых лекарств. В главах, посвященных
ЯМР-спектроскопии in vivo и анализу жидкостей организма, рассматривается
влияние лекарств, токсичных веществ и патологий на организм человека.
Химики и биохимики, использующие спектроскопию ЯМР в своих повседневных
исследованиях, также могут извлечь большую пользу, расширив кругозор своих
знаний, познакомившись с новыми достижениями в магниторезонансной томографии
и спектроскопии in vivo, результаты которых могут использоваться
в здравоохранении. Такое "перекрестное опыление" различных областей науки, на мой
взгляд, может быть очень полезным.
Интересующиеся принципами работы головного мозга (познавательной
нейробиологией), найдут интересной главу 17, посвященную новым исследованиям
в области функциональной магниторезонансной томографии мозга.
В работе над книгой, охватывающей столь широкий диапазон различных проблем,
очень полезной была помощь экспертов, рассмотревших книгу каждый со своей
стороны. Поэтому я хочу поблагодарить
Питера Баркера, Джима Финей, Гарет Моррис, Джереми Николсона, Тошияки Нишида, Браена Росса и Камил Югурбил
за благожелательное прочтение и сделанные замечания.
Я благодарен моим коллегам, особенно
Питеру Баркеру, Вильяму Эдельштейну, Лауре Холл, Эриксу Капке, Гарет Моррис,
Джереми Николсону, Тошияки Нишида, Браену Россу и Михаэлю Вудли,
за любезно предоставленные ими иллюстрации спектров
и томограмм.
Наконец, я выражаю глубокую благодарность моему редактору, Майклу Роджерсу,
за его продолжительное терпение и неизменную поддержку проекта, который, как мне
время от времени казалось, никогда не кончится.
R.F.
Jesus College, Кембридж
Май 2002
Рэй ФРИМЭН
Окончил химический факультет Оксфордского университета, получил
докторскую степень по ЯМР-тематике. В течение двух лет работал
во Французской комиссии по атомной энергии в Сакле (Франция),
затем -- в Национальной физической лаборатории в Теддингтоне
(Мидлсекс, Великобритания). В 1961 г. начинает работать в компании
"Вариан" в Пало-Альто (Калифорния, США). Основными направлениями
его исследований стали разработка методологии ЯМР, создание
коммерческих спектрометров и новой техники спектроскопии ЯМР
с преобразованием Фурье. В 1973 г. приглашен читать лекции
в Оксфордский университет и колледж Магдалены, где в лаборатории физической химии создается группа
разработки методологии ЯМР. Р. Фримэн
участвовал в разработке большей части наиболее значимых экспериментальных
методик современного ЯМР. В 1979 г. он становится членом Лондонского
королевского общества. Последние несколько лет Рэй Фримэн занимается
популяризацией магнитного резонанса; им опубликованы работы "Настольная
книга ядерного магнитного резонанса" (1997), "Хореография спина" (1997).
