Magnetická rezonancia

Magnetická rezonancia (MR) je jedným z mnohých fyzikálnych javov, objavených v posledných desaťročiach, ktorého význam v poslednom čase stúpol vďaka jeho rozšíreniu do viacerých oblastí života. Do povedomia širokej verejnosti sa dostala najmä využitím v medicíne, kde tento fyzikálny princíp využívajú prístroje na 2D alebo 3D zobrazovanie častí ľudského tela.
V súčasnosti poznáme viac druhov magnetickej rezonancie (MR), či už magnetických momentov elektrónov (elektrónová paramagnetická, elektrická, cyklotrónová, ferimagnetická, feromagnetická, antiferomagnetická, akustická paramagnetická, spin-vlnová rezonancia a iné), alebo magnetických momentov jadra atómu (jadrová magnetická rezonancia, kvadrupólová rezonancia, γ-rezonancia, dvojná magnetická rezonancia a iné). MR sa využíva vo fyzikálnom, chemickom a biologickom výskume.

Demonštrácia javu magnetickej rezonancie

Na demonštráciu javu možno použiť zotrvačník upevnený v Cardanovom závese, tak aby všetky tri osi otáčania prechádzali ťažiskom
zotrvačníka. Táto skutočnosť umožňuje splniť podmienku, aby gravitačná sila nepôsobila na zotrvačník otáčavým momentom. V osi zotrvačníka sa nachádza vhodný permanentný magnet. Ak sa zotrvačník roztočí okolo svojej osi malým elektromotorom, os rotácie bude
zachovávať svoj smer, čo demonštruje zákon zachovania momentu hybnosti.
Zotrvačník sa vloží do sústavy dvoch Helmholtzových cievok, ktoré vytvárajú navzájom kolmé magnetické polia. Po zapnutí prúdu do niektorej z cievok (neroztočený) zotrvačník sa otočí do smeru magnetického poľa, teda správa sa podobne ako magnetka kompasu reagujúca na smer magnetického poľa s tým rozdielom, že zotrvačník môže zaujať ľubovoľný smer, nie len smer vo vodorovnej rovine. Ak sa zotrvačník roztočí tak, aby os zotrvačníka zvierala nenulový uhol so zvislým smerom a zapne sa zvislé magnetické pole, zotrvačník bude vykonávať precesný pohyb okolo smeru magnetického poľa.
Ak sa do druhého páru Helmholtzových cievok privedie striedavý prúd s frekvenciou odlišnou (výhodnejšie je použiť vyššiu) frekvenciou ako je frekvencia precesie, zotrvačník bude vykonávať nutáciu. Vzhľadom na to, že frekvencia precesie je relatívne nízka, aby bola dobre pozorovateľná, podmienky pre rezonanciu je vhodné splniť nasledovne. Do cievok pre vytváranie magnetického poľa kolmého na os precesie sa privedie namiesto prúdu harmonického priebehu vytvárajúceho priečne magnetické pole (ktorého fázu je obťažné zosúladiť s fázou magnetického momentu) elektrický prúd obdĺžníkového priebehu, ktorý sa bude ručne spínať, tak aby ním vytvorené striedavé magnetické pole bolo vo fáze s priemetom magnetického momentu do roviny kolmej na smer precesie.
Uhol, ktorý zviera os zotrvačníka so smerom precesie sa zväčší, teda nastáva rezonancia. Ak priečne pole prestane pôsobiť, uhol precesie ostane konštantný (stacionárna MR). Uvedeným postupom možno demonštrovať základné vlastnosti magnetickej rezonancie. Pritom je potrebné mať na zreteli, že demonštrácia nevystihuje všetky detaily magnetickej rezonancie. Pri skutočných javoch magnetickej rezonancie ide o častice majúce vlastný mechanický moment hybnosti, je to ich základná vlastnosť. (Pri demonštrácii je zotrvačníku potrebné roztočením dodať mechanický moment, ktorý v čase vďaka treniu postupne klesá.) Okrem toho mikročastice nemôžu zvierať so smerom stacionárneho magnetického poľa ľubovoľný uhol, (tak ako makroskopiské teleso), priemet ich magnetického momentu do smeru magnetického poľa je kvantovaný. Mikroskopické magnetické momenty v látkových objektoch nie sú osamotené (tak ako magnetický moment zotrvačníka) a interagujú s okolitými magnetickými momentami tak, že im odovzdávajú absorbovanú energiu a po doznení vysokofrekvenčného poľa uhol precesie sa vráti na pôvodnú hodnotu vo veľmi krátkom čase. Túto skutočnosť je pomocou vyššie uvedeného prípravku možné demonštrovať tak, že prstenec na zotrvačníku sa mierne vysunie z ťažiska, takže gravitačné pole bude prispievať k pohybu zotrvačníka otáčavým momentom pôsobiacim tak, že uhol precesie bude klesať. Po doznení impulzov priečneho magnetického poľa sa postupne uhol precesie zmenší až os zotrvačníka zaujme zvislý smer. Tento režim činnosti sa volá impulzná MR, pri ktorej sa meria relaxačný čas návratu magnetického momentu do pôvodného smeru. Na tomto princípe pracujú aj prístroje NMR používané v medicíne,
keď v určitom bode mysleného rezu telom alebo skúmaným orgánom sa meria relaxačná konštanta jadrových spinov protónov vodíkových jadier atómov tvoriacich vodu tkanív. Postupne sa zmeria relaxačná konštanta bod po bode v riadku a neskôr sústava riadkov
zaznamená celú rovinu rezu (podobne ako sa tvorí obraz na obrazovke televízneho prijímača). Hodnote relaxačnej konštanty sa priradí určitá farba pri farebnom zobrazovaní alebo určitý stupeň šedi pri čierno-bielom zobrazovaní. Takto sa zrekonštruuje obraz
roviny rezu, z ktorého odborník rozozná poškodené tkanivo od zdravého.