Что такое диффузия металла


6. Диффузия в металлах. Материаловедение. Шпаргалка

6. Диффузия в металлах

Диффузия – это перенос вещества, обусловленный беспорядочным тепловым движением диффундирующих частиц. При диффузии газа его молекулы меняют направление движения при столкновении с другими молекулами Основными типами движения при диффузии в твердых телах являются случайные периодические скачки атомов из узла кристаллической решетки в соседний узел или вакансию.

Развитие процесса диффузии приводит к образованию диффузионного слоя, под которым понимают слой материала детали у поверхности насыщения, отличающийся от исходного по химическому составу, структуре и свойствам.

Диффузионное движение любого атома – это случайное блуждание из-за большой амплитуды колебаний, которое не зависит ни от движения других атомов, ни от предыдущего движения данного атома. Не зависящие от температуры колебания атомов вокруг положения равновесия обычно происходят с частотой ~10 13 с–1

Вопрос определения механизма диффузии является весьма сложным. Большую роль в решении этой проблемы сыграли работы Я.И. Френкеля, в которых показано огромное влияние дефектов кристаллической решетки, в особенности вакансий, на процесс диффузионного перемещения атомов. Наиболее затруднительным является простой обменный механизм диффузии, а наиболее вероятным – вакансионный. Каждому механизму диффузии соответствует определенная энергия активации Q, т. е. величина энергетического барьера, который необходимо преодолеть атому при переходе из одного положения в другое.

Перемещение при краудионном механизме диффузии подобно распространению волны: каждый атом смещается на малую величину, а возмущение распространяется быстро. Для диффузии большое значение имеют вакансии и их ассоциации (бивакансии, комплексы вакансия – атом примеси), а также дефекты, являющиеся их источниками (линейные и поверхностные).

Основным механизмом самодиффузии и диффузии в твердых растворах замещения является вакансионный. В твердых растворах внедрения основным механизмом перемещения примесных атомов небольшого размера является межузельный.

Если два хорошо соединенных между собой куска чистых металлов АиВ длительно отжигать, то будет наблюдаться взаимное проникновение металлов и смещение первоначальной границы раздела, отмеченной инертными метками (оксидными частицами или вольфрамовыми проволочками) на величину ?х, прямо пропорциональную квадратному корню из времени отжига. Если D А > DВ, то компонент А проникает в В с большей скоростью, чем В в А, вследствие этого часть В образца увеличивается в объеме.

Диффузионная металлизация – процесс диффузионного насыщения поверхности изделий металлами или металлоидами. Диффузионное насыщение проводят в порошкообразной смеси, газовой среде или расплавленном металле (если металл имеет низкую температуру плавления).

Борирование – диффузионное насыщение поверхности металлов и сплавов бором для повышения твердости, коррозионной стойкости, износостойкости проводят путем электролиза в расплавленной соли бора. Борирование обеспечивает особенно высокую твердость поверхности, сопротивление износу, повышает коррозионную стойкость и теплостойкость. Борированные стали обладают высокой коррозионной стойкостью в водных растворах соляной, серной и фосфорной кислот. Борирование применяют для чугунных и стальных деталей, работающих в условиях трения в агрессивной среде (в химическом машиностроении).

Хромирование – диффузионное насыщение хромом проводят в порошкообразных смесях хрома или феррохрома с добавками хромистого аммония (1 %) и окиси алюминия (49 %) при температуре 1000…1050 °C с выдержкой 6…12 ч. Хромирование применяют для деталей, которые работают на износ в пароводяных и агрессивных средах (арматура, вентили). При хромировании изделий из малоуглеродистых сталей твердость повышается и приобретается хорошая коррозионная стойкость.

Алитирование – это процесс диффузионного насыщения поверхностного слоя алюминием, проводят в порошкообразных смесях алюминия или в расплавленном алюминии. Цель – получение высокой жаростойкости поверхности стальных деталей. Алитирование проводят в твердых и жидких средах.

Силицирование – диффузионное насыщение кремнием проводят в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой стальной детали имеет не очень высокую твердость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах. Силицированные детали применяют в химической, целлюлозно-бумажной и нефтяной промышленности. Для повышения жаростойкости силицирование применяют для изделий из сплавов на основе молибдена и вольфрама, обладающих высокой жаропрочностью.

В материаловедении разрабатываются макро– и микроскопические теории диффузии. В макроскопической теории делается акцент на формализме, т. е. на термодинамических силах и параметрах. В микроскопической теории используют механизмы, основанные на теории об атомных скачках.

Данный текст является ознакомительным фрагментом.

Читать книгу целиком

Поделитесь на страничке

Следующая глава >

Простое определение и примеры в биологии, химии и повседневной жизни

Определение диффузии
  • Что вызывает диффузию?

  • Формула диффузии

  • Диффузия в твердых телах

  • Диффузия в жидкостях

  • Диффузия газов

  • Примеры диффузии в природе

  • Диффузия в биологии
  • day

  • Ссылки и дополнительная литература

  • Diffusion, Video
  • Diffusion Definition

    Слово «диффузия» латинского происхождения - «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, распространение.«В науке диффузия - это процесс взаимного проникновения микрочастиц при контакте различных материалов. Академическое определение диффузии: «Диффузия - это взаимное проникновение молекул одного вещества в межмолекулярные пространства другого вещества из-за их хаотического движения и столкновения друг с другом».

    Какая причина диффузии?

    Причиной диффузии является тепловое движение частиц (атомов, молекул, ионов и т. Д.).

    Чтобы более подробно понять, как работают механизмы диффузии, мы объясним это явление на конкретном примере.Если взять перманганат калия (KMnO 4 ) и растворить в воде (H 2 O), то в результате диссоциации перманганат калия разложится на K + и MnO 4 -. Также важно отметить, что молекула воды поляризована и существует в виде связанных ионов H + - OH-.

    Хаотическое движение ионов обоих веществ произойдет из-за растворения перманганата калия в воде. В результате связанные ионы воды изменят свой цвет и освободят место для других, еще не прореагировавших ионов.Вода изменит свой цвет и приобретет особые свойства. Диффузия будет происходить между водой и перманганатом калия.

    Вот так схематично этот процесс выглядит.

    Подвижные частицы при диффузии всегда равномерно распределяются по всему объему. Сам процесс диффузии занимает определенное время.

    Также важно знать, что явление диффузии происходит не со всеми веществами. Например, если вода смешана с маслом, то диффузии между ними не будет, поскольку молекулы масла электрически нейтральны.Образованию соединения с молекулами воды препятствуют прочные связи внутри молекулы масла.

    Скорость диффузии значительно возрастет с повышением температуры, что вполне логично, ведь с повышением температуры скорость движения частиц внутри вещества будет увеличиваться. В результате вероятность их проникновения в молекулы другого вещества увеличится.

    Формула диффузии

    Процесс диффузии в двухкомпонентной системе записывается с использованием закона Фика:

    В этом уравнении J - плотность материала, D - коэффициент диффузии, а ac / dx - концентрация. градиент двух веществ.

    Коэффициент диффузии - это физическая величина, которая численно равна количеству диффундирующего вещества. Важно отметить, что коэффициент диффузии зависит от температуры.

    Теперь поговорим о различных типах диффузии.

    Диффузия в твердых телах

    Диффузия в твердых телах происходит очень медленно. Для твердых тел характерно наличие кристаллической решетки, а все частицы расположены упорядоченно.

    Примером диффузии твердых тел являются золото и свинец.Расположенные на расстоянии 1 метра друг от друга при комнатной температуре 20 ° C (68 ° F), эти вещества будут постепенно проникать друг в друга, но все это будет происходить очень медленно. Такое распространение станет заметным не ранее, чем через 4-5 лет.

    Диффузия в жидкостях

    Диффузия в жидкостях в несколько раз выше, чем в твердых телах. Связи между частицами в жидкости намного слабее (обычно их энергии хватает на максимум, чтобы образовались капли), и ничто не мешает взаимному проникновению частиц в молекулы двух веществ.

    Однако скорость диффузии зависит от природы и консистенции жидкости. В более плотных растворах он протекает медленнее, потому что чем плотнее жидкость, тем сильнее связи между молекулами в ней и тем сложнее молекулам и частицам проникать друг в друга. Например, смешивание двух жидких металлов может занять несколько часов, а смешивание воды и перманганата калия осуществляется за минуту.

    Диффузия газов

    Диффузия в газах происходит даже быстрее, чем в жидкостях.Связи между частицами газообразных веществ практически отсутствуют, а несвязанные частицы легко смешиваются, проникая в молекулы других газов. Незначительные поправки при диффузии газов могут быть сделаны только под действием силы тяжести.

    Примеры диффузии в природе

    Именно благодаря диффузии:

    • поддерживается равномерный состав атмосферного воздуха у поверхности нашей планеты,
    • кормят
    • растений,
    • осуществляют дыхание людей и животных.

    Диффузия в биологии

    Фотосинтез происходит благодаря диффузии. Благодаря энергии солнечного света вода разлагается хлорофиллами на компоненты. Кислород, который при этом выделяется, попадает в атмосферу и поглощается всеми живыми организмами. Итак, сам процесс поглощения кислорода людьми и животными, а также метаболизм растений - все это поддерживается диффузией, без которой сама Жизнь не могла бы существовать.

    Примеры распространения в повседневной жизни

    Какие примеры распространения в повседневной жизни? Мы можем наблюдать диффузию:

    • В саду, где цветы источают свой аромат за счет диффузии (их частицы смешиваются с частицами окружающего воздуха).
    • Чай или кофе становятся сладкими из-за диффузии, когда вы добавляете в них сахар.
    • При резке лука глаза могут плакать. Это тоже происходит благодаря диффузии; молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза могут на это отреагировать.

    Есть еще много примеров распространения в растениях, клетках, животных и организме человека.

    Диффузия и осмос

    Осмос - это особый пример диффузии. Это диффузия вещества через полупроницаемую мембрану из более разбавленного раствора в более концентрированный.Этот процесс также пассивен, поскольку не требуется никакой внешней энергии.

    Полупроницаемая мембрана - это барьер, который пропускает одни вещества, но не пропускает другие. Клеточные мембраны описываются как селективно проницаемые, поскольку они не только пропускают воду, но также пропускают определенные растворенные вещества (растворенные вещества).

    Некоторые основные примеры осмоса:

    • Поглощение воды корнями растений.
    • Реабсорбция воды проксимальными и дистальными извитыми канальцами нефрона.
    • Реабсорбция тканевой жидкости венулами на концах кровеносных капилляров.
    • Поглощение воды пищеварительным трактом, желудком, тонкой кишкой и толстой кишкой.

    Ссылки и дополнительная литература

    • J.G. Кирквуд, Р.Л. Болдуин, П.Дж. Данлоп, Л.Дж. Гостинг, Г. Кегелес (1960) Уравнения потока и системы отсчета для изотермической диффузии в жидкостях. Журнал химической физики 33 (5): 1505–13.
    • Дж. Филибер (2005). Полтора века распространения: Фик, Эйнштейн, до и после.Архивировано 13 декабря 2013 г. в Wayback Machine Diffusion Fundamentals, 2, 1.1–1.10.
    • S.R. Де Гроот, П. Мазур (1962). Неравновесная термодинамика. Северная Голландия, Амстердам.
    • А. Эйнштейн (1905). «Uber die von der molkularkinetischen Theorie der Warme geforderte Bewegung von in ruhenden Flussigkeiten Suspendierten Teilchen» (PDF). Аня. Phys. 17 (8): 549–60. Bibcode: 1905AnP… 322..549E. DOI: 10.1002 / andp.19053220806.
    • Процессы диффузии, Симпозиум Томаса Грэма, изд.J.N. Шервуд, А. Чедвик, В.М. Мюр, Ф.Л. Swinton, Gordon and Breach, London, 1971.

    Diffusion, Video


    Автор: Павел Чайка, главный редактор журнала Poznavayka

    При написании статьи я пытался сделать его максимально интересным и полезным. Буду благодарен за любые отзывы и конструктивную критику в виде комментариев к статье. Вы также можете написать свое пожелание / вопрос / предложение на мою почту pavelchaika1983 @ gmail.com или в Facebook.

    .

    вопросов и ответов в МРТ

    Распространение

    Что такое диффузия?

    Диффузия относится к случайному микроскопическому движению воды и других небольших молекул из-за теплового перемешивания.Диффузия также известна как Броуновское движение , названное в честь шотландского ботаника Роберта Брауна, который впервые наблюдал спонтанную вибрацию частиц пыльцы под микроскопом в 1827 году.

    Это НЕ распространение.

    Это распространение IS.

    Диффузию следует отличать от других процессов диспергирования, возникающих в результате объемного переноса частиц самой жидкой средой.Например, начальное завихрение красителя, упавшего в стакан с водой, составляет , а не - это проявление диффузии, а в первую очередь связано с гравитационными силами плюс термически и механически индуцированная конвекция токи. Только на более поздних стадиях, когда краситель становится более равномерно распределенным и начальные токи ослабевают, диффузия становится доминирующей. Лучший эксперимент, демонстрирующий чистую диффузию, - это поместить краситель на пластину с агаром (где отсутствуют конвекционные токи).Здесь видно, что капли краски рассеиваются симметрично со временем, постепенно увеличиваясь и бледнея.

    В середине 19 века немецкий физик Адольф Фик моделировал диффузию как движение частиц из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Фик показал, что поток частиц прямо пропорционален градиенту концентрации, связанному с коэффициентом D , коэффициентом диффузии .Поскольку D отражает поток частиц через поверхность в течение определенного периода времени, он имеет единицы площадь / время (например, мм² / сек).

    D представляет поток частиц через поверхность за период времени, поэтому имеет единицы мм² / сек.

    Одна проблема с анализом Фика заключается в том, что когда градиенты концентрации исчезают, чистого потока не должно быть.Следовательно, можно ошибочно заключить, что диффузия остановилась. Однако тепловые столкновения и диффузионные потоки все еще продолжаются даже в состоянии равновесия; они просто нейтрализуют друг друга.

    Только в 1905 году Альберт Эйнштейн разработал всеобъемлющую математическую теорию, чтобы объяснить броуновское движение и включить законы диффузии Фика. (Это было частью докторской диссертации Эйнштейна!) Его оригинальный подход заключался в моделировании процесса как статистического «случайного блуждания» с гауссовым (нормальным) распределением.Эйнштейн показал, что в одном измерении среднеквадратичное смещение ( r rms ) частицы от ее источника за период времени ( t ) было пропорционально. Таким образом, этот важный результат связал коэффициент диффузии Фика ( D ) со статистикой броуновского движения.

    Эйнштейн также включил в свою теорию случайного блуждания принцип жидкостного трения, разработанный в XIX веке Джорджем Стоуксом.Это стало известно как уравнение Стокса-Эйнштейна , показывающее, что коэффициент диффузии ( D ) прямо пропорционален абсолютной температуре ( T ) и постоянной Больцмана ( k ), но обратно пропорционален радиусы частиц ( r ) и вязкость среды ( η ):

    Распространение как «случайное блуждание»

    Константа диффузии чистой воды при температуре тела приблизительно равна 3.0 x 10 -3 мм 2 / сек. Значения D для биологических тканей составляют всего 10-50% от длины, возможно, 1,0 x 10 -3 мм 2 / сек в среднем. Согласно модели случайного блуждания, это означает, что в течение периода времени ~ 50 мс последовательности визуализации, взвешенной по диффузии, около 2/3 молекул воды в тканях останутся в пределах 10 мкм от их происхождения.

    Молекулы воды распределяются между внутриклеточным и внеклеточным компонентами в соотношении приблизительно 3: 1 (точное соотношение зависит от интересующего органа).Баланс между этими двумя бассейнами поддерживается энергозависимыми ионными насосами Na-K. Когда эти насосы выходят из строя (что может случиться при токсических или гипоксически-ишемических поражениях), может происходить набухание и / или разрыв клеток с резкими изменениями водных фракций и диффузии.

    Диффузия молекул воды (красные стрелки) затруднена во внутриклеточном пространстве из-за присутствия макромолекул, повышенной вязкости и множественных мембран.Во внеклеточном пространстве происходит лишь незначительное ограничение диффузии (в основном из-за извилистости).

    В целом, внеклеточная вода диффундирует несколько более свободно, чем внутриклеточная вода, так как последняя имеет больше шансов столкнуться с клеточными стенками, органеллами, макромолекулами и т.п. Молекулы воды могут обмениваться между двумя компартментами, как пассивно (через поры мембраны), так и посредством активного транспорта (каналы аквапоринов). Многие ткани содержат сильно асимметричные структуры, такие как пучки нервных или мышечных волокон.Это создает анизотропию диффузии , предпочтительную диффузию молекул воды в определенных направлениях больше, чем в других.

    Заболевания могут увеличивать или уменьшать диффузию воды в тканях. Время диффузии часто увеличивается при многих неострых и хронических заболеваниях. Дистанционно поврежденные ткани содержат свидетельства клеточного разрушения, включая нарушение цитоархитектуры, некроз или микрокистозную дегенерацию. Эти поврежденные ткани имеют большие внеклеточные пространства и становятся более «похожими на воду».Помимо того, что коэффициенты диффузии увеличиваются, они также часто показывают повышение своего T1 и T2 времен по тем же причинам.

    Заметное уменьшение диффузии в тканях происходит гораздо реже, чем продление диффузии, но когда оно происходит, оно может иметь драматический эффект на МР-изображения, взвешенные по диффузии, делая аномальные области «яркими как лампочка». Заболевания, при которых это может произойти, включают острую ишемию, инфекции, абсцессы, токсико-метаболические нарушения и высококлеточные опухоли.(Эти расстройства более подробно обсуждаются в более поздних вопросах и ответах).

    Расширенное обсуждение (показать / скрыть) »

    Согласно широко распространенным определениям, использованный выше термин «конвекция» состоит из двух компонентов: адвекции и диффузии. Так что, действительно, синий краситель в стекле, изображенном выше, действительно имеет небольшую диффузию внутри него, но проиллюстрированный основной физический процесс - это «адвекция». Адвекция относится к массовому переносу материала самой средой, независимым от диффузионных процессов.

    Ссылки
    Браун Р. XXVII. Краткий отчет о микроскопических наблюдениях, сделанных в июне, июле и августе 1827 г. за частицами, содержащимися в пыльце растений; и об общем существовании активных молекул в органических и неорганических телах. Философ Мэг Энн Философия 1828 г .; Новая серия 4 (21): 1-16.
    «Распространение». Википедия, свободная энциклопедия. (Я обожаю Википедию!)
    Эйнштейн А. Убери фон дер молекулярной медицины Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen.Annalen der Physik 1905; 17: 549-560. (Оригинальная статья Эйнштейна по теории диффузии, на немецком языке).
    Minati L, Weglarz WP. Физические основы, модели и методы диффузной магнитно-резонансной томографии головного мозга: обзор. Концепты Magn Reson 2007; 30А: 278-307.
    Мукерджи П., Берман Дж. И., Чунг С. В. и др. Диффузионная тензорная МРТ и волоконная трактография: теоретические основы. AJNR Am J Neuroradiol 2008; 29: 632-640. .

    Тензор диффузии - вопросы и ответы в МРТ

    Тензор диффузии

    Что такое тензор диффузии? Чем это отличается от «обычного» распространения?

    Тензор диффузии кратко обсуждался в предыдущем разделе вопросов и ответов, где была представлена ​​концепция диффузионной анизотропии .Биологические ткани сильно анизотропны, а это означает, что их скорость диффузии , а не одинакова во всех направлениях. При рутинной визуализации DW мы часто игнорируем эту сложность и уменьшаем диффузию до единственного среднего значения, кажущегося коэффициента диффузии (ADC) , но это слишком упрощенно.

    Тензор диффузии

    Превосходный метод моделирования диффузии в сложных материалах состоит в использовании тензора диффузии , массива чисел [3 x 3], соответствующих скоростям диффузии в каждой комбинации направлений.Три диагональных элемента ( Dxx, Dyy, Dzz ) представляют собой коэффициенты диффузии, измеренные вдоль каждой из основных ( x-, y- и z -) лабораторных осей. Шесть недиагональных членов ( Dxy , Dyz и т. Д.) Отражают корреляцию случайных движений между каждой парой основных направлений.


    Для особого случая идеальной изотропной диффузии (например, наблюдаемой в чистых жидкостях) все недиагональные элементы равны нулю.Все диагональные элементы одинаковы и равны единичному коэффициенту диффузии, D , для изотропного материала (т. Е. Dxx = D yy = Dzz = D ).

    Однако для с анизотропной диффузией диагональные элементы не равны, и недиагональные элементы нельзя игнорировать. Дополнительным усложняющим фактором является то, что значение каждого элемента тензора зависит от системы отсчета, в которой он измеряется.

    Для измерения этих отдельных элементов тензора мы обычно начинаем с так называемой лабораторной ( x-y-z ) рамки, которая для клинической МРТ обычно совмещена с телом пациента и основным магнитным полем. Градиенты применяются в разных направлениях, и получается несколько наборов необработанных данных (исходных) изображений. После некоторой фильтрации и других математических исправлений к данным применяются методы линейной регрессии для создания оценок для каждого компонента тензора. Поскольку коэффициенты диффузии x → y и y → x должны быть одинаковыми, недиагональные элементы зеркального изображения равны ( Dxy = Dyx, Dyz = Dzy и Dxz = Dzx ).Это означает, что матрица тензора диффузии симметрична всего с 6 уникальными элементами. Чтобы оценить их все, нам потребуется минимум 7 измерений: одно базовое значение ( b0 ) и 6 исходных наборов данных.

    Однако значения, которые мы вычисляем для каждого компонента тензора (например, Dxx или Dxy ), не являются уникальными, поскольку зависят от системы отсчета ( x-y-z ), выбранной для измерения. Если бы мы выбрали другую систему координат ( x'-y'-z '), не выровненную с пациентом, но под произвольным углом, рассчитанные значения ( Dx'x' или Dx'y ') имели бы было совершенно иначе.

    К счастью, существует идеальная система отсчета для просмотра тензора диффузии, и ее можно определить, используя измерения, полученные из любой системы отсчета . Эта оптимальная система координат основана на диффузионном эллипсоиде , , , , главная ось которого параллельна главному направлению диффузии в вокселе. Эта главная ось часто соответствует анатомическим особенностям, таким как тракты белого вещества или фасциальные плоскости.

    Большая и малая оси эллипсоида диффузии определяются тремя ортогональными единичными векторами ( ε1 , ε2 и ε 3 ), известными как собственные векторы .Длина каждого собственного вектора ( εi ) умножается на коэффициент λi , называемый собственным значением . Собственные значения эллипсоида пропорциональны среднему квадрату диффузионного смещения Эйнштейна в каждом направлении. По соглашению, собственные значения помечаются в порядке убывания величины ( λ1 λ2 λ3 ).

    Распространение по группе трактов волокна.В лабораторной системе отсчета (x-y-z) мы измеряем коэффициенты диффузии в 6 уникальных комбинациях направлений, описываемых тензором диффузии, D . Измеренные значения каждого компонента зависят от системы отсчета.

    Более простая система отсчета - центрировать систему координат в каждом вокселе с осями, параллельными и касательными к основным направлениям диффузии (здесь вдоль пучков волокон). Обычно его представляют в виде эллипсоида.Недиагональные элементы тензора исчезают.

    Эллипсоид диффузии имеет три единичных вектора ( ε 1 , ε 2 и ε 3 ), называемых собственными векторами, с соответствующими длинами ( λ 1 , λ 2 , и λ 3 ) собственные значения. Для идеальной изотропной диффузии эллипсоид становится сферой с λ 1 = λ 2 = λ 3 .

    Дополнительным преимуществом использования эллипсоида диффузии является то, что в этой системе отсчета недиагональные элементы исчезают. Набор собственных значений определяет матрицу только с 3 диагональными элементами, обозначенными символом Λ («заглавная лямбда»), который встречается во многих продвинутых трактатах о тензорах диффузии.

    В качестве бонуса вы можете посмотреть, как этот профессор математики объясняет тензор и векторы.Это довольно хорошо и длится всего 12 минут.

    Диффузионные эллипсоиды в головном мозге с цветовой кодировкой. Красноватая структура в форме бумеранга - это заднее мозолистое тело сразу за черными боковыми желудочками.

    Ссылки
    Nucifora PGP, Verma R, Lee S-K, Melhem ER. Диффузионно-тензорная МРТ и трактография: изучение микроструктуры и связности мозга.Радиология 2007; 245: 367-384. [обзор]
    Shimony JS, McKinstry RC, Akbudak E, et al. Количественная МРТ головного мозга диффузионно-тензорной анизотропии: нормативные данные человека и анатомический анализ. Радиология 1999; 212: 770-784.
    Hermoye L, Wakana S, Laurent J-P и др. Атлас белого вещества. Доступно на www.dtiatlas.org. (Классный сайт с атласом всего мозга на основе DTI. Вы выбираете тракт по имени, и он показывает его вам в виде нескольких цветных изображений).
    Джеллисон Б.Дж., Филд А.С., Медоу Дж. И др.Диффузионная тензорная визуализация белого вещества головного мозга: графический обзор физики, анатомии волоконного тракта и моделей визуализации опухолей. AJNR Am J Neuroradiol 2004; 25: 356-369.
    Мукерджи П., Берман Дж. И., Чунг С. В. и др. Диффузионная тензорная МРТ и волоконная трактография: теоретические основы. AJNR Am J Neuroradiol 2008; 29: 632-640. (Сериал из двух частей, очень красивый).
    Мукерджи П., Чанг С.В., Берман Дж. И. и др. МРТ-визуализация с тензором диффузии и волоконная трактография: технические аспекты.AJNR Am J Neuroradiol 2008; 29: 843-52. .

    вопросов и ответов в МРТ

    Распространение

    Что такое диффузия?

    Диффузия относится к случайному микроскопическому движению воды и других небольших молекул из-за теплового перемешивания.Диффузия также известна как Броуновское движение , названное в честь шотландского ботаника Роберта Брауна, который впервые наблюдал спонтанную вибрацию частиц пыльцы под микроскопом в 1827 году.

    Это НЕ распространение.

    Это распространение IS.

    Диффузию следует отличать от других процессов диспергирования, возникающих в результате объемного переноса частиц самой жидкой средой.Например, начальное завихрение красителя, упавшего в стакан с водой, составляет , а не - это проявление диффузии, а в первую очередь связано с гравитационными силами плюс термически и механически индуцированная конвекция токи. Только на более поздних стадиях, когда краситель становится более равномерно распределенным и начальные токи ослабевают, диффузия становится доминирующей. Лучший эксперимент, демонстрирующий чистую диффузию, - это поместить краситель на пластину с агаром (где отсутствуют конвекционные токи).Здесь видно, что капли краски рассеиваются симметрично со временем, постепенно увеличиваясь и бледнея.

    В середине 19 века немецкий физик Адольф Фик моделировал диффузию как движение частиц из области с более высокой концентрацией в область с более низкой концентрацией. Фик показал, что поток частиц прямо пропорционален градиенту концентрации, связанному с коэффициентом D , коэффициентом диффузии .Поскольку D отражает поток частиц через поверхность в течение определенного периода времени, он имеет единицы площадь / время (например, мм² / сек).

    D представляет поток частиц через поверхность за период времени, поэтому имеет единицы мм² / сек.

    Одна проблема с анализом Фика заключается в том, что когда градиенты концентрации исчезают, чистого потока не должно быть.Следовательно, можно ошибочно заключить, что диффузия остановилась. Однако тепловые столкновения и диффузионные потоки все еще продолжаются даже в состоянии равновесия; они просто нейтрализуют друг друга.

    Только в 1905 году Альберт Эйнштейн разработал всеобъемлющую математическую теорию, чтобы объяснить броуновское движение и включить законы диффузии Фика. (Это было частью докторской диссертации Эйнштейна!) Его оригинальный подход заключался в моделировании процесса как статистического «случайного блуждания» с гауссовым (нормальным) распределением.Эйнштейн показал, что в одном измерении среднеквадратичное смещение ( r rms ) частицы от ее источника за период времени ( t ) было пропорционально. Таким образом, этот важный результат связал коэффициент диффузии Фика ( D ) со статистикой броуновского движения.

    Эйнштейн также включил в свою теорию случайного блуждания принцип жидкостного трения, разработанный в XIX веке Джорджем Стоуксом.Это стало известно как уравнение Стокса-Эйнштейна , показывающее, что коэффициент диффузии ( D ) прямо пропорционален абсолютной температуре ( T ) и постоянной Больцмана ( k ), но обратно пропорционален радиусы частиц ( r ) и вязкость среды ( η ):

    Распространение как «случайное блуждание»

    Константа диффузии чистой воды при температуре тела приблизительно равна 3.0 x 10 -3 мм 2 / сек. Значения D для биологических тканей составляют всего 10-50% от длины, возможно, 1,0 x 10 -3 мм 2 / сек в среднем. Согласно модели случайного блуждания, это означает, что в течение периода времени ~ 50 мс последовательности визуализации, взвешенной по диффузии, около 2/3 молекул воды в тканях останутся в пределах 10 мкм от их происхождения.

    Молекулы воды распределяются между внутриклеточным и внеклеточным компонентами в соотношении приблизительно 3: 1 (точное соотношение зависит от интересующего органа).Баланс между этими двумя бассейнами поддерживается энергозависимыми ионными насосами Na-K. Когда эти насосы выходят из строя (что может случиться при токсических или гипоксически-ишемических поражениях), может происходить набухание и / или разрыв клеток с резкими изменениями водных фракций и диффузии.

    Диффузия молекул воды (красные стрелки) затруднена во внутриклеточном пространстве из-за присутствия макромолекул, повышенной вязкости и множественных мембран.Во внеклеточном пространстве происходит лишь незначительное ограничение диффузии (в основном из-за извилистости).

    В целом, внеклеточная вода диффундирует несколько более свободно, чем внутриклеточная вода, так как последняя имеет больше шансов столкнуться с клеточными стенками, органеллами, макромолекулами и т.п. Молекулы воды могут обмениваться между двумя компартментами, как пассивно (через поры мембраны), так и посредством активного транспорта (каналы аквапоринов). Многие ткани содержат сильно асимметричные структуры, такие как пучки нервных или мышечных волокон.Это создает анизотропию диффузии , предпочтительную диффузию молекул воды в определенных направлениях больше, чем в других.

    Заболевания могут увеличивать или уменьшать диффузию воды в тканях. Время диффузии часто увеличивается при многих неострых и хронических заболеваниях. Дистанционно поврежденные ткани содержат свидетельства клеточного разрушения, включая нарушение цитоархитектуры, некроз или микрокистозную дегенерацию. Эти поврежденные ткани имеют большие внеклеточные пространства и становятся более «похожими на воду».Помимо того, что коэффициенты диффузии увеличиваются, они также часто показывают повышение своего T1 и T2 времен по тем же причинам.

    Заметное уменьшение диффузии в тканях происходит гораздо реже, чем продление диффузии, но когда оно происходит, оно может иметь драматический эффект на МР-изображения, взвешенные по диффузии, делая аномальные области «яркими как лампочка». Заболевания, при которых это может произойти, включают острую ишемию, инфекции, абсцессы, токсико-метаболические нарушения и высококлеточные опухоли.(Эти расстройства более подробно обсуждаются в более поздних вопросах и ответах).

    Расширенное обсуждение (показать / скрыть) »

    Согласно широко распространенным определениям, использованный выше термин «конвекция» состоит из двух компонентов: адвекции и диффузии. Так что, действительно, синий краситель в стекле, изображенном выше, действительно имеет небольшую диффузию внутри него, но проиллюстрированный основной физический процесс - это «адвекция». Адвекция относится к массовому переносу материала самой средой, независимым от диффузионных процессов.

    Ссылки
    Браун Р. XXVII. Краткий отчет о микроскопических наблюдениях, сделанных в июне, июле и августе 1827 г. за частицами, содержащимися в пыльце растений; и об общем существовании активных молекул в органических и неорганических телах. Философ Мэг Энн Философия 1828 г .; Новая серия 4 (21): 1-16.
    «Распространение». Википедия, свободная энциклопедия. (Я обожаю Википедию!)
    Эйнштейн А. Убери фон дер молекулярной медицины Theorie der Wärme geforderte Bewegung von in ruhenden Flüssigkeiten suspendierten Teilchen.Annalen der Physik 1905; 17: 549-560. (Оригинальная статья Эйнштейна по теории диффузии, на немецком языке).
    Minati L, Weglarz WP. Физические основы, модели и методы диффузной магнитно-резонансной томографии головного мозга: обзор. Концепты Magn Reson 2007; 30А: 278-307.
    Мукерджи П., Берман Дж. И., Чунг С. В. и др. Диффузионная тензорная МРТ и волоконная трактография: теоретические основы. AJNR Am J Neuroradiol 2008; 29: 632-640. .

    Смотрите также