Журнал «Компьютерра» № 36 от 3 октября 2006 года

Ядерная революция

Автор: Галактион Андреев

Сразу два новых варианта метода ядерного магнитного резонанса (ЯМР) недавно предложили американские физики. В обоих случаях использован один физический эффект Фарадея, но совершенно по-разному. Первый метод способен существенно увеличить пространственное разрешение традиционного подхода, а второй позволяет избавиться от громоздких и дорогих сверхпроводящих систем.

Предложенный около шестидесяти лет тому назад метод ЯМР и основанные на нем приемы томографии сегодня нашли множество научных и практических применений. Это одно из мощнейших средств медицинской диагностики и основной инструмент в дистанционных исследованиях мозга, не говоря уж об изучении структуры молекул и создании прототипов квантовых компьютеров.

Метод использует то обстоятельство, что ядра некоторых элементов магнитны, то есть обладают спином. Их можно представить себе как маленькие вращающиеся волчки. Если атомы поместить в сильное постоянное магнитное поле, то спины их ядер будут стараться повернуться вдоль поля, прецессируя, то есть крутясь и покачиваясь, как детская юла. Это магнитное поле, как правило, получают с помощью большого сверхпроводящего магнита, который составляет львиную долю стоимости установки. Движение ядер можно возмутить радиоимпульсом (толкнуть юлу), а затем измерять излучаемые ядрами в процессе возврата в прежнее состояние радиоволны. Анализ радиосигналов дает важную информацию о молекулах, окружающих такое ядро, а также о динамике их поведения. Эти радиосигналы обычно регистрируют с помощью антенны в виде катушки, но иногда используют чрезвычайно чувствительные сверхпроводящие квантовые магнитометры — СКВИДы, которым уже не нужен сильный магнит. С помощью ядерного магнитного резонанса удается получать трехмерные изображения, но пространственное разрешение метода существенно ограничено: даже точности в одну десятую миллиметра весьма непросто достичь.

В новом методе, предложенном учеными Принстонского университета, для измерения ориентации спинов ядер вместо радиоволн и катушки используют линейно поляризованный видимый свет. Ориентированные спины ядер вращают плоскость поляризации света, и этот эффект, носящий имя Фарадея, удается измерить. Это было продемонстрировано на образцах жидкого ксенона и воды.

Пространственное разрешение нового метода более чем в сто раз лучше, чем у обычного, и ограничено только размерами пятна фокусировки лазера, то есть величиной порядка длины световой волны. Кроме того, новый метод хорошо работает с ядрами тяжелых элементов, на которых обычный подход теряет чувствительность. Хотя лазер можно использовать только с прозрачными материалами, это не помешает ученым в реальном времени получать трехмерные изображения человеческих органов, поскольку живые ткани достаточно прозрачны для инфракрасных лазеров. Правда, придется еще серьезно поработать над увеличением чувствительности нового метода, которая пока серьезно уступает традиционному ядерному магнитному резонансу.

Другая методика, разработанная командой из Калифорнийского университета и Национальной лаборатории имени Лоуренса в Беркли, тоже использует вращение поляризации света лазера. Однако здесь лазерный луч проходит не через образец, а сквозь пару сантиметровых кубиков, заполненных парами рубидия при температуре 43 градуса Цельсия. Спины ядер рубидия в кубиках чувствуют слабые радиочастотные изменения магнитного поля образца. Эти кубики вместе с лазером, хитрой оптической системой и анализирующим сигналы компьютером образуют чрезвычайно восприимчивый магнитометр, который сопоставим по чувствительности со СКВИДом. Но в отличие от последнего, лазерный магнитометр работает при комнатной температуре и не требует охлаждения до температуры жидкого гелия. Больше не нужно и сильное постоянное магнитное поле (а значит и создающий его дорогой сверхпроводящий магнит), можно обойтись полем обычных постоянных магнитов. Это позволит, считают авторы, в перспективе создать недорогие переносные сканеры на ядерном магнитном резонансе и соответственно вывести основанные на нем медицинские и исследовательские приемы на совершенно новый уровень доступности.