1

1

Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке «Файлы работы» в формате PDF

Диффузия играет огромную роль в природе, в быту человека и в технике [2]. Диффузионные процессы могут оказывать как положительное, так и отрицательное влияние на жизнедеятельность человека и животных. Примером положительного воздействия является поддержание однородного состава атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Диффузия играет важную роль в различных областях науки и техники, в процессах, происходящих в живой и неживой природе. Она оказывает влияние на течение химических реакций.

С участием диффузии или при нарушении и изменении этого процесса могут протекать отрицательные явления в природе и жизни человека, такие как обширное загрязнение окружающей среды продуктами технического прогресса человека.

Актуальность: Диффузия доказывает, что тела состоят из молекул, которые находятся в беспорядочном движении; диффузия имеет большое значение в жизни человека, животных и растений, а также в технике.

Цель:

1. доказать, что диффузия зависит от температуры;

2. рассмотреть примеры диффузии в домашних опытах;

3. убедиться, что диффузия в разных веществах происходит по-разному.

4. Рассмотреть тепловую диффузию веществ.

Задачи исследования:

1. Изучить научную литературу по теме «Диффузия».

2. Доказать зависимость скорости диффузии от рода вещества, температуры.

3. Изучить влияние явления диффузии на окружающую среду и человека.

1. Описать и спроектировать наиболее интересные опыты по диффузии.

Методы исследования:

1. Анализ литературы и материалов интернета.

2. Проведение опытов по изучению зависимости диффузии от рода вещества и температуры.

3. Анализ результатов.

Предмет исследования: явление диффузии, зависимость протекания диффузии от различных факторов, проявление диффузии в природе, технике, быту.

Гипотеза: диффузия имеет большое значение для человека и природы.

1.Теоретическая часть

1.1.Что такое диффузия

Диффузия — это самопроизвольное перемешивание соприкасающихся веществ, происходящее вследствие хаотического (беспорядочного) движения молекул.

Еще одно определение: диффузия (лат. diffusio — распространение, растекание, рассеивание) — процесс переноса материи или энергии из области с высокой концентрацией в область с низкой концентрацией [7].

Самым известным примером диффузии является перемешивание газов или жидкостей (если в воду капнуть чернил, то жидкость через некоторое время станет равномерно окрашенной).

Диффузия происходит в жидкостях, твердых телах и газах. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях, ещё медленнее в твёрдых телах, что обусловлено характером теплового движения частиц в этих средах. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения. Столетиями рабочие сваривали металлы и получали сталь нагреванием твердого железа в атмосфере углерода, не имея ни малейшего представления о происходящих при этом диффузионных процессах. Лишь в 1896г. началось изучение проблемы.

Диффузия молекул протекает очень медленно. Например, если кусочек сахара опустить на дно стакана с водой и воду не перемешивать, то пройдёт несколько недель, прежде чем раствор станет однородным.

1.2. Роль диффузии в природе

С помощью диффузии происходит распространение различных газообразных веществ в воздухе: например, дым костра распространяется на большие расстояния [1]. Если посмотреть на дымовые трубы предприятий и выхлопные трубы автомобилей, во многих случаях вблизи труб виден дым. А потом он куда–то исчезает. Дым растворяется в воздухе за счет диффузии. Если же дым плотный, то его шлейф тянется довольно далеко.

Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. Таким же образом происходит загрязнение воздуха вредными продуктами промышленного производства и выхлопными газами автомобилей. Природный горючий газ, которым мы пользуемся дома, не имеет ни цвета, ни запаха. При утечке заметить его невозможно, поэтому на распределительных станциях газ смешивают с особым веществом, обладающим резким, неприятным запахом, который легко ощущается человеком даже при весьма малой его концентрации [2]. Такая мера предосторожности позволяет быстро заметить накопление газа в помещении, если образовалась утечка (рис 1).

Благодаря явлению диффузии нижний слой атмосферы – тропосфера – состоит из смеси газов: азота, кислорода, углекислого газа и паров воды [3]. При отсутствии диффузии произошло бы расслоение под действием силы тяжести: внизу оказался бы слой тяжёлого углекислого газа, над ним – кислород, выше – азот, инертные газы (рис 2).

В небе мы тоже наблюдаем это явление. Рассеивающиеся облака – тоже пример диффузии и как точно об этом сказано у Ф.Тютчева: «В небе тают облака…» (рис 3)

На принципе диффузии основано перемешивание пресной волы с солёной при впадении рек в моря. Диффузия растворов различных солей в почве способствует нормальному питанию растений.

Диффузия играет большую роль в жизни растений и животных. Муравьи помечают свой путь капельками пахучей жидкости и узнают дорогу домой (рис 4)

Благодаря диффузии, насекомые находят себе пищу. Бабочки, порхая меж растений, всегда находят дорогу к красивому цветку. Пчёлы, обнаружив сладкий объект, штурмуют его своим роем. А растение растет, цветет для них тоже благодаря диффузии. Ведь мы говорим, что растение дышит и выдыхает воздух, пьёт воду, получает из почвы различные микродобавки [2].

Плотоядные животные находят своих жертв тоже благодаря диффузии. Акулы чувствуют запах крови на расстоянии нескольких километров, также как и рыбы пираньи (рис 5).

Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоёмов и аквариумов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в стоячих водах за счёт диффузии через их свободную поверхность. Так, например, листья или ряска, покрывающие поверхность воды, могут совсем прекратить доступ кислорода к воде и привести к гибели её обитателей. По этой же причине сосуды с узким горлом непригодны для использования в качестве аквариума (рис 6).

Уже было отмечено, что есть много общего в значении явления диффузии для жизнедеятельности растений и животных. Прежде всего, следует отметить роль диффузионного обмена через поверхность растений в выполнении функции дыхания. Для деревьев, например, наблюдается особенно большое развитие поверхности(листовая крона), так как диффузионный обмен сквозь поверхность листьев выполняет функцию дыхания. К.А. Тимирязев говорил: «Будем ли мы говорить о питании корня за счёт веществ, находящихся в почве, будем ли говорить о воздушном питании листьев за счет атмосферы или питании одного органа за счёт другого, соседнего, – везде для объяснения мы будем прибегать к тем же причинам: диффузия» (рис 7).

Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови – в ткани.

В научной литературе я изучила процесс односторонней диффузии – осмос, т.е. диффузия веществ через полупроницаемые мембраны. Процесс осмоса отличается от свободной диффузии тем, что на границе двух соприкасающихся жидкостей расположено препятствие в виде перегородки (мембраны), которая проницаема только для растворителя и вовсе не проницаема для молекул растворенного вещества (рис 8).

В почвенных растворах содержатся минеральные соли и органические соединения. Вода из почвы попадает в растение путем осмоса через полупроницаемые мембраны корневых волосков. Концентрация воды в почве оказывается выше, чем внутри корневых волосков, поэтому вода проникает в зерно и дает жизнь растению.

1.3. Роль диффузии в быту и технике

Диффузия используется во многих технологических процессах: засолка, получение сахара (стружка сахарной свёклы промывается водой, молекулы сахара диффундируют из стружки в раствор), варка варенья, окрашивание тканей, стирка вещей, цементация, сварка и пайка металлов, в том числе диффузионная сварка в вакууме (свариваются металлы, которые другими методами соединить невозможно, — сталь с чугуном, серебро с нержавеющей сталью и т.д.) и диффузионная металлизация изделий(поверхностное насыщение стальных изделий алюминием, хромом, кремнием), азотирование — насыщение поверхности стали азотом (сталь становится твёрдой, износоустойчивой), цементация — насыщение стальных изделий углеродом, цианирование -насыщение поверхности стали углеродом и азотом [6].

Распространение запахов в воздухе — наиболее часто встречающийся пример диффузии в газах. Почему же запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время? Дело в том, что во время движения в определенном направлении молекулы пахучего вещества сталкиваются с молекулами воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях частицы меняют направление и скорость своего движения.

2. Практическая часть

Как много удивительного и интересного происходит вокруг нас! Многое хочется узнать, попытаться объяснить самостоятельно. Именно для этого я решила провести ряд экспериментов, в ходе которых попыталась выяснить, действительно ли теория диффузии справедлива, находит ли она свое подтверждение на практике. Любую теорию можно считать достоверной лишь в том случае, если она многократно подтверждается экспериментально.

Опыт №1 Наблюдение явления диффузии в жидкостях

Цель: изучить диффузию в жидкости. Пронаблюдать растворение кусочков перманганата калия в воде, при неизменной температуре (при t = 20°С)

Приборы и материалы:стакан с водой, термометр, перманганат калия.

Описание опыта и полученные результаты: Я взяла кусочек перманганата калия и два стакана с чистой водой при температуре 20 °С. Положила в стаканы кусочки перманганата калия и начала наблюдать за происходящим. Через 1 минуту вода в стаканах начинает окрашиваться.

Вода является хорошим растворителем. Под действием молекул воды происходит разрушение связей между молекулами твердых веществ марганцовки.

В первом стакане я не перемешивала раствор, а во втором перемешала. Перемешивая воду (взбалтывая), я убедилась, что процесс диффузии происходит гораздо быстрее (2 минуты)

Цвет воды в первом стакане становится более интенсивным по истечении времени. Молекулы воды проникают между молекулами перманганата калия, нарушая силы притяжения. Одновременно с силами притяжения между молекулами начинают действовать силы отталкивания и, как следствие, происходит разрушение кристаллической решетки твердого вещества. Процесс растворения марганцовки закончился. Время прохождения эксперимента 3 часа 15 минут. Вода полностью окрасилась в малиновый цвет (рис 9-12).

Можно сделать вывод, что явление диффузии в жидкости — это длительный процесс, в результате которого происходит растворение твердых тел.

Я захотела выяснить, от чего еще зависит скорость протекания диффузии.

Опыт №2 Изучение зависимости скорости протекания диффузии от температуры

Цель: изучить, как температура воды влияет на скорость протекания диффузии.

Приборы и материалы: термометры – 1 шт, секундомер – 1 шт, стаканы – 4 шт, чай, перманганат калия.

Описание опыта и полученные результаты: (опыт приготовления чая при начальной температуре 20°С и при температуре 100° С в двух стаканах).

Взяли два стакана с водой при t=20 °С и t=100 °С. На рисунках показано протекание эксперимента через определенное время от начала: в начале эксперимента — рис.1, через 30 с. — рис.2, через 1 мин. — рис.3, через 2 мин. — рис.4, через 5 мин. — рис 5, через 15 мин. — рис.6. Из этого опыта можно сделать вывод о том, что на скорость протекания диффузии влияет температура: чем больше температура, тем выше скорость протекания диффузии (рис 13-17).

Те же результаты я получила, когда вместо чая взяла 2 стакана с водой. В одном из них была вода комнатной температуры, во втором кипяток.

Я опустила в каждый стакан одинаковое количество перманганата калия. В том стакане, где температура воды была выше, процесс диффузии протекал значительно быстрее (рис.18-23.)

Следовательно скорость диффузии зависит от температуры – чем выше температура, тем интенсивнее происходит диффузия.

Опыт № 3 Наблюдение диффузии с применением химических реактивов [3]

Цель: Наблюдение явления диффузии на расстоянии.

Оборудование: вата, нашатырный спирт, фенолфталеин, пробирка.

Описание опыта: Нальём в пробирку нашатырный спирт. Смочим кусочек ваты фенолфталеином и положим сверху в пробирку. Через некоторое время наблюдаем окрашивание ватки (рис 24-26).

Нашатырный спирт испаряется; молекулы нашатырного спирта проникли к ватке, смоченной фенолфталеином, и та окрасилась, хотя ватка в соприкосновение со спиртом не приводилась. Молекулы спирта перемешались с молекулами воздуха и достигли ватки. Данный опыт демонстрирует явление диффузии на расстоянии.

Опыт №4. Наблюдение явления диффузии в газах

Цель: изучение изменения диффузии газа в воздухе в зависимости от изменения температуры в помещении.

Приборы и материалы: секундомер, духи, термометр

Описание опыта и полученные результаты:я исследовала время распространения запаха духов в кабинете V=120м³ при температуре t⁼+20⁰. Засекалось время от начала распространения запаха в комнате, до получения явной чувствительности у людей, стоящих на расстоянии 10 м. от исследуемого объекта (духи). (рис 27-29)

Опыт №5 Растворения кусочков гуаши в воде, при неизменной температуре

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.

Приборы и материалы: три стакана, вода, гуашь трех цветов.

Описание опыта и полученные результаты:

Взяли три стакана, набрали воды t =25⁰С, бросили одинаковые кусочки гуаши в стаканы.

Начали наблюдать за растворением гуаши.

Фотографии сделаны через 1 минуту, 5 минут, 10 минут, 20 минут, растворение закончилось через 4 часа 19 минут (рис 30-34)

Опыт №6 Наблюдение явления диффузии в твердых телах

Цель: наблюдение диффузии в твердых телах.

Приборы и материалы: яблоко, картофель, морковь, раствор «зеленки», пипетка.

Описание опыта и полученные результаты:

Разрезаем яблоко, морковь, картофель «капаем зеленкой» на одну из половинок.

Наблюдаем, как пятно расплывается по поверхности

Разрезаем по месту соприкосновения с зеленкой, чтобы посмотреть насколько глубоко она проникла внутрь (рис 35-37)

Как провести опыт, чтобы подтвердить гипотезу о возможности протекания диффузии в твердых телах? Возможно ли перемешивание веществ в таком агрегатном состоянии? Скорей всего, ответ «Да». Но наблюдать диффузию в твердых телах (очень вязких) удобно с использованием густых гелей. Таким является плотный раствор желатина. Его можно приготовить следующим образом: 4–5 г сухого пищевого желатина растворить в холодной воде. Желатин сначала должен несколько часов набухать, а затем его полностью растворяют при помешивании в воде объемом 100 мл, опустив в сосуд с горячей водой. После охлаждения получается 4-5 % раствор желатина.

Опыт № 7 Наблюдение диффузии с применением густых гелей [3]

Цель: Наблюдение явления диффузии в твердых телах (с применением густого раствора желатина).

Оборудование: 4%-ный раствор желатина, пробирка, небольшой кристаллик марганцовки, пинцет.

Описание и результат опыта:Раствор желатина поместить в пробирку, в центр пробирки быстро, одним движением ввести пинцетом кристаллик марганцовки.

Кристаллик марганцовки в начале опыта

Расположение кристаллика в пузырьке с раствором желатина через 1,5 часа

Уже через несколько минут вокруг кристаллика начнет расти окрашенный в фиолетовый шарик, со временем он становится все больше и больше. Это означает, что вещество кристаллика распространяется во всех направлениях с одинаковой скоростью (рис 38-39)

В твердых телах диффузия происходит, но значительно медленнее чем, в жидкостях и газах.

Опыт № 8 Разница температур в жидкости — тепловая диффузия

Цель: Наблюдение явления тепловой диффузии.

Оборудование: 4 одинаковых стеклянных сосуда, 2 цвета краски, горячая и холодная вода, 2 пластиковые карточки.

Описание и результат опыта:

1. Добавляем немного красной краски в сосуд 1 и 2, синюю краску в сосуды 3 и 4.

2. Наливаем горячую воду в сосуды 1 и 2.

3. Наливаем холодную воду в сосуды 3 и 4.

4. Сосуд 1 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 4.

5. Сосуд 3 накрываем пластиковой картой, переворачиваем вниз горлышком и ставим на сосуд 2.

6. Удаляем обе карты.

Этот опыт демонстрирует эффект тепловой диффузии. В первом случае горячая вода оказывается поверх холодной и диффузия не происходит до тех пор, пока температуры не сравняются. А во втором случае наоборот, внизу горячая, а вверху холодная. И во втором случае молекулы горячей вода начинают стремиться вверх, а молекулы холодной – вниз (рис 41-44).

Заключение

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что диффузия играет огромную роль в жизни человека и животных.

В ходе данной исследовательской работы можно сделать вывод о том, что продолжительность диффузии зависит от температуры: чем выше температура, тем быстрее протекает диффузия.

Я изучила явление диффузии на примере различных веществ.

Скорость протекания зависит от рода вещества: в газах она протекает быстрее, чем в жидкостях; в твердых телах диффузия протекает значительно медленнее.Это утверждение можно объяснить так: молекулы газов свободны, находятся на расстояниях много больше размеров молекул, двигаются с большими скоростями. Молекулы жидкостей расположены также беспорядочно, как и в газах, но значительно плотнее. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, медленно перемещается внутри жидкости. Молекулы твердых веществ совершают колебания около положения равновесия.

Существует тепловая диффузия.

Список используемой литературы

1. Генденштейн, Л.Э. Физика. 7 класс. Часть 1 / Л.Э. Генденштейн, А.Б, Кайдалов. – М: Мнемозина, 2009.-255 с.;

2. Кириллова, И.Г. Книга для чтения по физике для учащихся 7 классов средней школы / И.Г. Кириллова.- М.,1986.-207 с.;

3. Ольгин, О. Опыты без взрывов / О. Ольгин.- М.: Химик, 1986.-192 с.;

4. Перышкин, А.В. Учебник по физике 7 класс / А.В. Перышкин.- М., 2010.-189 с.;

5. Разумовский, В.Г. Творческие задачи по физике / В.Г. Разумовский.– М.,1966.-159 с.;

6. Рыженков, А.П. Физика. Человек. Окружающая среда: Приложение к учебнику физики для 7-го класса общеобразовательных учреждений / А.П. Рыженков.– М.,1996.- 120 с.;

7. Чуянов, В.А. Энциклопедический словарь юного физика / В.А. Чуянов.- М., 1984.- 352 с.;

8. Шабловский, В. Занимательная физика / В. Шабловский. С.-П., Тригон, 1997.-416 с.

Приложение

рисунок 1

рисунок 2

рисунок 3

рисунок 4

рисунок 5

рисунок 6

рисунок 7

Частицы растворителя (синие) способны пересекать мембрану,

частицы растворённого вещества (красные) — нет.

рисунок 8

рисунок 9

рисунок 10

рисунок 11

рисунок 12

рисунок 13

рисунок 14

рисунок 15

рисунок 16

рисунок 17

рисунок 18

рисунок 19

рисунок 20

рисунок 21

рисунок 22

рисунок 23

рисунок 24

рисунок 25

рисунок 26

рисунок 27

рисунок 28

рисунок 29

рисунок 30

рисунок 31

рисунок 32

рисунок 33

рисунок 34

рисунок 35

рисунок 36

рисунок 37

рис 38

рис 39

рис 40

рис 41

рис 42

рис 43

рис 44

Просмотров работы: 4351

Диффузия: определение и примеры в окружающем мире

…

Вконтакте

Facebook

Twitter

Google+

Мой мир

Диффузия в физике: определение

Скорость этого физического процесса зависит от следующих факторов:

1. Температура.
2. Агрегатное состояние вещества.
3. Внешнее воздействие.

Это интересно: МПА в атмосферы, как правильно перевести давление?

Агрегатное состояние вещества — важнейший фактор. В каждом агрегатном состоянии молекулы движутся с определённой скоростью.

Диффузия может протекать в следующих агрегатных состояниях:

1. Газ.
2. Жидкость.
3. Твёрдое тело.

Скорее всего, у читателя сейчас возникнут следующие вопросы:

1. Каковы причины возникновения диффузии?
2. Где она протекает быстрее?
3. Как она применяется в реальной жизни?

Ответы на них можно узнать ниже.

Это интересно: энтропия — это что такое, где применяется термин?

Причины возникновения

Абсолютно у всего в этом мире есть своя причина. И диффузия не является исключением. Физики прекрасно понимают причины её возникновения. А как донести их до обычного человека?

Есть ли какие-то доказательства этого движения? Конечно! Вспомните, как быстро вы начинали чувствовать запах духов или дезодоранта? А запах еды, которую готовит ваша мама на кухне? Вспомните, как быстро готовится чай или кофе. Всего этого не могло быть, если бы не движение молекул. Делаем вывод — основная причина диффузии заключается в постоянном движении молекул.

Теперь остаётся только один вопрос — чем же обусловлено это движение? Оно обусловлено стремлением к равновесию. То есть, в веществе есть области с высокой и низкой концентрацией этих частиц. И благодаря этому стремлению они постоянно движутся из области с высокой концентрацией в низкоконцентрированную. Они постоянно сталкиваются друг с другом, и происходит взаимное проникновение.

Интересно знать: Система отсчета это что такое, определение и виды.

Диффузия в газах

Процесс смешивания частиц в газах самый быстрый. Он может происходить как между однородными газами, так и между газами с разной концентрацией.

Яркие примеры из жизни:

1. Вы чувствуете запах освежителя воздуха благодаря диффузии.
2. Вы чувствуете запах приготовленной пищи. Заметьте, его вы начинаете чувствовать сразу, а запах освежителя через несколько секунд. Это объясняется тем, что при высокой температуре скорость движения молекул больше.
3. Слезы, возникающие у вас при нарезании лука. Молекулы лука смешиваются с молекулами воздуха, и ваши глаза на это реагируют.

Как протекает диффузия в жидкостях

Диффузия в жидкостях протекает медленнее. Она может длиться от нескольких минут до нескольких часов.

Самый яркие примеры из жизни:

1. Приготовление чая или кофе.
2. Смешивание воды и марганцовки.
3. Приготовление раствора соли или соды.

Диффузия при смешивании более густых жидкостей будет происходить гораздо дольше. Например, смешивание двух жидких металлов может занимать несколько часов. Конечно, можно сделать это за несколько минут, но в таком случае получится некачественный сплав.

Например, диффузия при смешивании майонеза и сметаны будет протекать очень долго. Однако, если прибегнуть к помощи внешнего воздействия, то этот процесс и минуты не займёт.

Диффузия в твёрдых телах: примеры

В твёрдых телах взаимное проникновение частиц протекает очень медленно. Этот процесс может занять несколько лет. Его длительность зависит от состава вещества и структуры его кристаллической решётки.

Опыты, доказывающие, что диффузия в твёрдых телах существует.

1. Слипание двух пластин разных металлов. Если держать эти две пластины плотно друг к другу и под прессом, в течение пяти лети между ними будет слой, имеющий ширину 1 миллиметр. В этом небольшом слое будут находиться молекулы обоих металлов. Эти две пластины будут слиты воедино.
2. На тонкий свинцовый цилиндр наносится очень тонкий слой золота. После чего эта конструкция помещается в печь на 10 дней. Температура воздуха в печи — 200 градусов Цельсия. После того как этот цилиндр разрезали на тонкие диски, было очень хорошо видно, что свинец проник в золото и наоборот.

Примеры диффузии в окружающем мире

Как вы уже поняли, чем тверже среда, тем меньше скорость смешивания молекул. Теперь давайте поговорим о том, где в реальной жизни можно получить практическую пользу от этого физического явления.

Процесс диффузии происходит в нашей жизни постоянно. Даже когда мы лежим на кровати, очень тонкий слой нашей кожи остаётся на поверхности простыни. А также в неё впитывается пот. Именно из-за этого постель становится грязной, и её необходимо менять.

Так, проявление этого процесса в быту может быть следующим:

1. При намазывании масла на хлеб оно в него впитывается.
2. При засолке огурцов соль сначала диффундирует с водой, после чего солёная вода начинает диффундировать с огурцами. В результате чего мы получаем вкуснейшую закуску. Банки необходимо закатывать. Это нужно для того, чтобы вода не испарялась. А точнее, молекулы воды не должны диффундировать с молекулами воздуха.
3. При мытье посуды молекулы воды и чистящего средства проникают в молекулы оставшихся кусочков еды. Это помогает им отлипать от тарелки, и сделать её более чистой.

Проявление диффузии в природе:

1. Процесс оплодотворения происходит именно благодаря этому физическому явлению. Молекулы яйцеклетки и сперматозоида диффундируют, после чего появляется зародыш.
2. Удобрение почв. Благодаря использованию определённых химических средств или компоста почва становится более плодородной. Почему так происходит? Суть в том, что молекулы удобрения диффундируют с молекулами почвы. После чего процесс диффузии происходит между молекулами почвы и корня растения. Благодаря этому сезон будет более урожайным.
3. Смешивание производственных отходов с воздухом сильно загрязняет его. Из-за этого в радиусе километра воздух становится очень грязным. Его молекулы диффундируют с молекулами чистого воздуха из соседних районов. Именно так ухудшается экологическая обстановка в городе.

Проявление этого процесса в промышленности:

1. Силицирование — процесс диффузионного насыщения кремнием. Он проводится в газовой атмосфере. Насыщенный кремнием слой детали имеет не очень высокую твёрдость, но высокую коррозионную стойкость и повышенную износостойкость в морской воде, азотной, соляной в серной кислотах.
2. Диффузия в металлах при изготовлении сплавов играет большую роль. Для получения качественного сплава необходимо производить сплавы при высоких температурах и с внешним воздействием. Это значительно ускорит процесс диффузии.

Эти процессы происходят в различных областях промышленности:

1. Электронная.
2. Полупроводниковая.
3. Машиностроение.

Как вы поняли, процесс диффузии может оказывать на нашу жизнь как положительный, так и отрицательный эффект. Нужно уметь управлять своей жизнью и максимально использовать пользу от этого физического явления, а также минимизировать вред.

Теперь вы знаете, в чём сущность такого физического явления, как диффузия. Она заключается во взаимном проникновении частиц благодаря их движению. А в жизни движется абсолютно все. Если вы школьник, то после прочтения нашей статьи вы точно получите оценку 5. Успехов вам!

Подробно про диффузию в газах жидкостях и твердых телах подробно рассказано в видео.

Диффузия вокруг нас

Диффузия — одно из самых значимых явлений в физике. Оно играет чрезвычайно важную роль в живой природе, его широко применяют в технике, в повседневной жизни. Но, оказывается, что процесс диффузии играет большую роль в загрязнении воздуха, рек, морей и океанов. Как разного рода загрязнители проникают в те вещества, которые обеспечивают жизнедеятельность растений, животных, человека? Давайте с вами проведем исследование и узнаем как диффузия воздействует на окружающую среду , какую пользу и вред она приносит.

Диффузия — явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого.Примером диффузии в газах является распространение запахов в воздухе, но запах распространяется не мгновенно, а спустя некоторое время. Почему так происходит? Просто движению молекул пахучего вещества в определенном направлении мешает движение молекул воздуха. Траектория движения каждой частицы газа представляет собой ломаную линию, т.к. при столкновениях она меняет направление и скорость движения. Поэтому диффузионное проникновение молекул значительно медленнее их свободного движения. Явление диффузии показывает, что молекулы все время хаотично движутся и притом в различных направлениях. Такое движение называется молекулярным тепловым движением. Диффузия, также доказывает, что между молекулами имеются промежутки.Известно, что частицы движутся и в газах, и в жидкостях, и в твердых телах, то в этих веществах возможна диффузия.Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах. Дело в том, что в газах и жидкостях основной вид теплового движения частиц приводит к их перемешиванию, а в твердых телах, в кристаллах, где атомы совершают малые колебания около положения узла решётки, нет. Скорость протекания диффузии зависит от: агрегатного состояния вещества; массы молекул; температуры.

Явление диффузии играет большую роль в природе. Так, например, благодаря диффузии поддерживается однородный состав атмосферного воздуха вблизи поверхности Земли. Деревья выделяют кислород и поглощают углекислый газ с помощью диффузии. Корни растений захватывают необходимые для растения вещества из почвенных вод благодаря диффузионному потоку внутрь корней.На явлении диффузии основаны многие физиологические процессы, происходящие в организме человека: такие как дыхание, всасывание питательных веществ в кишечнике и др. Диффузия находит широкое применение в различных сферах деятельности человека. На этом явлении основана, например, диффузионная сварка металлов, никелирование. Результатом диффузии может быть выравнивание температуры в помещении при проветривании. На явлении диффузии основаны соление овощей, варка варения, получение компотов и многое другое.В общем, диффузия имеет большое значение в природе и жизнедеятельности человека, но это явление также вредно в отношении загрязнения окружающей среды. На протекание диффузных процессов в природе отрицательное влияние оказывает деятельность человека. Большую роль играют диффузионные процессы в снабжении кислородом природных водоемов. Кислород попадает в более глубокие слои воды в водоемах за счет диффузии через их свободную поверхность. Поэтому любое загрязнение поверхности воды, губительно для всего живого в водоеме. Загрязняющие вещества, выбрасываемые в атмосферу из дымовых труб промышленных и энергетических предприятий, выхлопные газы автомобилей, благодаря диффузии, распространяются на большие расстояния. Воздух и земля ещё загрязняется бытовыми отходами. Загрязняющие вещества попадают в пищу, воздух, воду и наносят огромный вред здоровью человека. Ярким проявлением диффузии, напрямую связанным с экологическими проблемами – это грязный, фактически отравленный выхлопными газами автомобилей, воздух в черте крупных городов, загрязнение отравляющими отходами многочисленных водоёмов, почвы и т.д.

Давайте вместе проведем исследование и выясним, на примере распространения пахучего вещества в воздухе как явление диффузии способствует загрязнению воздуха (проведем аналогию между молекулами загрязняющего вещества и молекулами пахучего вещества). Приведем примеры типичных загрязнителей атмосферы, рек и водоемов, полей и лесов. Узнаем, какие существуют способы защиты окружающей среды от загрязнения.

Диффузия и здоровье человека

Цель урока:

• сформировать у обучающихся представление о явлении диффузии;
• показать значение явления диффузии в природе, технике и быту.
• помочь осознать масштабы вреда курения для здоровья человека и окружающей его среды с помощью физических явлений и закономерностей;
• убедить учащихся в необходимости здорового образа жизни;

Задачи:

Образовательные: Сформировать:

• представление о диффузии, как о явлении смешивания веществ, вследствие движения молекул.
• представление о том, что диффузия наблюдается в твердом, жидком и газообразном состояниях вещества;
• представление о значении диффузии в природе, в быту.

Развивающие:

• учить логически правильно выражать свои мысли средством физико-математического языка;
• формировать умения наблюдать;
• развивать умения анализировать ход эксперимента, на его основе проводить сравнение, выделять главное, формулировать логические выводы;
• развивать способности работать в высоком темпе.

Воспитательные:

• формировать умения использовать теоретические знания для понимания сущности явлений происходящих в природе, в быту.
• повышать уровень экологического и эстетического воспитания учащихся.

Оборудование к уроку: чашки Петри, перманганат калия, пинцеты, пластиковые стаканы, кофе, холодная и тёплая вода.

Компьютер.

Ход урока

1. Организационный момент.

Готовность класса к уроку.

2. Формулирование цели урока.

Сегодня мы узнаем об очень интересном и важном явлении в нашей жизни, связанным с молекулярным строением вещества. Явление, с которым мы познакомимся, играет очень большую роль в живой и неживой природе, в быту, узнаем, связано ли наше здоровье с понятием диффузия и как?. Это явление мы с вами встречаем на каждом шагу, каждый день, не задумываясь об этом. А называется это явление «Диффузия».

Откройте тетради, запишем тему и дату урока.

3. Актуализация опорных знаний.

Давайте вспомним, что вы уже узнали о строении веществ на прошлых уроках.

Проводится фронтальный опрос:

— Когда зародились первые предположения о строении вещества?

— Какие опыты подтверждают, что вещества состоят из отдельных частичек?

— Как меняется объём тела при изменении расстояния между частицами?

— Что такое молекула?

— Что вы знаете о размерах молекул?

— Из каких частиц состоят молекулы?

— Одинаковы ли молекулы одного и того же вещества? Разных веществ?

4. Новый материал

1) Понятие диффузии.

Учитель: ( зачитывает отрывок из произведения Владимира Солоухина )»Третья охота».

О чесночнике.

Много раз я встречал в книгах упоминание о чесночном грибе, или, проще, о чесночнике. Говорилось, что этот гриб обладает запахом чеснока и что из него можно готовить разные приправы и соусы к мясным блюдам.

…Механически сощипнул я один грибочек, механически растер между пальцами, и вдруг явственный крепкий запах свежего чеснока облаком расплылся меж мокрых елей, благоухающих смолой и хвоей. Это было так неожиданно… Из корзины пахло так, будто там не грибы, а растолченный чеснок…

…В этот день я пришел домой с необычайной добычей. Страшно было класть грибы на сковородку. Но вопреки ожиданиям получилось очень острое и душистое кушанье.

По прочтении отрывка задаётся вопрос: Как вы считаете, почему вся еда будет пахнуть чесноком?

Из предположений и ответов учащихся учитель делает уточнение: Молекулы веществ движутся и проникают между друг другом.

Даётся определение диффузии:

Явление, при котором происходит взаимное проникновение молекул одного вещества между молекулами другого, называется диффузией.

2) причины и закономерности диффузии.

Давайте рассмотрим диффузию в газах. Проведем эксперимент. Распыляем в классе дезодорант.

— Ребята, вы почувствовали запах дезодоранта?

— Почему возможно распространение запахов в пространстве?

Распространение запахов возможно благодаря движению молекул веществ. Это движение носит непрерывный и беспорядочный характер. Сталкиваясь с молекулами газов, входящих в состав воздуха, молекулы дезодоранта много раз меняют направление своего движения и, беспорядочно перемещаясь, разлетаются по всей комнате.

Сделайте, пожалуйста, вывод о причине диффузии.

Причина диффузии: молекулы вещества находятся в непрерывном и беспорядочном движении.

Давайте запишем это утверждение в тетрадь.

Мы наблюдали процесс диффузии в газах. А возможна ли диффузия в жидкостях?

На ваших столах стоят чашки Петри с водой. Бросьте несколько кристалликов перманганата калия в воду. Не забываем про технику безопасности: избегайте контакта кожи и слизистых оболочек с кристаллами перманганата калия.

— Что вы наблюдаете?

— Быстро ли растворяются кристаллики марганцовки? Почему?

— Благодаря чему происходит растворение кристалликов марганцовки в воде?

— Возможен ли процесс диффузии в твердых телах?

Приведу вам пример. Если отшлифованные пластины свинца и золота положить одна на другую и сжать грузом, то при обычной комнатной температуре (около 20°С) за 5 лет золото и свинец взаимно проникнут друг в друга на расстояние всего около 1 мм.

-Какой вывод можно сделать по приведенному примеру?

Диффузия в твёрдых телах происходит чрезвычайно медленно.

— Как вы думаете, почему?

Давайте посмотрим как протекает диффузия в твёрдых телах в природе.

-Какой вывод можно сделать по результатам рассмотрения диффузии в газах, жидкостях и твердых телах?

Молекулы веществ находящихся в любом агрегатном состоянии, непрерывно двигаются, т.е. диффузия происходит и в газах, и в жидкостях, и в твёрдых телах.

— А что можно сказать о скорости протекания диффузии в различных агрегатных состояниях вещества?

Молекулы газов свободны, так как расстояние между молекулами много больше размеров молекул, двигаются с большими скоростями. Молекулы жидкостей расположены так же беспорядочно, как и в газах, но значительно плотнее друг к другу и поэтому взаимодействуют друг с другом сильнее, чем в газах. Каждая молекула, находясь в окружении соседних молекул, как бы топчется на одном месте и медленно перемещается внутри жидкости. Молекулы твердых веществ расположены в строгом порядке, образовывая пространственную решетку, чем обеспечивается сохранение формы и объема твердого тела. Частицы твердого тела совершают колебания около положения равновесия, которое остается неизменным очень продолжительное время. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах.

Таким образом, мы познакомились с одной из закономерностей диффузии:

1. Диффузия протекает в веществах, находящихся в различных агрегатных состояниях, но с разной скоростью. Наиболее быстро диффузия происходит в газах, медленнее в жидкостях и медленнее всего в твёрдых телах.

Запишите данное утверждение в тетрадь.

Проведём ещё один опыт:

В два одинаковых стакана налейте одинаковое количество воды, но различной температуры. Помните о технике безопасности.

Бросьте в стаканы несколько крупинок растворимого кофе. Пронаблюдаете, что происходит.

Имеет ли здесь место явление диффузии? Почему?

Что вы можете сказать о скорости протекания диффузии в стакане с холодной водой и с теплой водой?

Скорость диффузии увеличивается с ростом температуры, так как молекулы взаимодействующих тел начинают двигаться быстрее.

Процесс диффузии проходит быстрее с увеличение температуры тел.

Запишите это утверждение в тетрадь.

3. Применение диффузии.

Сообщения учащихся:

1. Роль диффузии в пищеварении и дыхании человека.( Кривоносова А)

Презентации:

1. « Роль диффузии в пищеварении и дыхании человека»

Процесс всасывания питательных веществ в кишечнике возможен благодаря диффузии.

А как же дышит человек? У человека в дыхании принимает участие вся поверхность тела – от самого толстого эпидермиса пяток до покрытой волосами кожи головы. Особенно интенсивно дышит кожа на груди, спине и животе. Интересно, что по интенсивности дыхания эти участки кожи значительно превосходят легкие. С одинаковой по размеру дыхательной поверхности здесь может поглощаться кислорода на 28% а выделяться углекислого газа даже на 54% больше, чем в легких. Однако во всем дыхательном процессе участие кожи ничтожно по сравнению с легкими, так как общая площадь поверхности легких, если развернуть все 700 млн. альвеол, микроскопических пузырьков, через стенки которых происходит газообмен между воздухом и кровью, составляет около 90-100 квадратных метров а общая площадь поверхности кожи человека около 2 квадратных метров, т.е, в 45-50 раз меньше.

Благодаря диффузии кислород из легких пpoникaeт в кровь человека, а из крови – в ткани.

2. Применение диффузии в медицине. Аппарат «искусственная почка»

Боле 30 лет назад немецкий врач Вильям Кольф применил аппарат «искусственная почка». С тех пор он применяется: для неотложной хронической помощи при острой интоксикации; для подготовки больных с хронической почечной недостаточностью к трансплантации почек; для длительного (10-15 лет) жизнеобеспечения больных с хроническим заболеванием почек.

Применение аппарата «искусственная почка» становится в большей мере терапевтической процедурой, аппарат применяется как в клинике, так и в домашних условиях. С помощью ап

DoITPoMS — Распространение библиотеки TLP

Распространение — ключевой процесс в большей части материаловедения. Мы рассмотрим некоторые приложения более подробно здесь:

Науглероживание

Науглероживание — это процесс, при котором углерод проникает в поверхность стали для увеличения ее твердости. Углерод образует выделения карбида (особенно, если сталь содержит карбидообразующие элементы, такие как марганец или молибден), которые фиксируют дислокации и предотвращают скольжение, тем самым делая материал более твердым.Однако повышенное содержание углерода снижает ударную вязкость материала. В большинстве случаев важно, чтобы поверхность стали была твердой, но при этом объемный материал мог оставаться более мягким без ущерба для свойств компонента. Таким образом, углерод часто диффундирует с внешних поверхностей, чтобы получить материал, твердый на поверхности, но жесткий в объеме.

Науглероженная сталь с повышенным содержанием углерода на внешней поверхности См. Микрофотографию № 289

Это достигается путем нагрева стали в углеродной атмосфере, так что существует градиент концентрации углерода на границе раздела.Углерод проникает в сталь, а повышенная температура ускоряет процесс. Профиль концентрации углерода регулируется вторым законом Фика, так как фактически существует бесконечный источник углерода.

Ядерные отходы

В этом случае диффузия вызывает проблему, которую необходимо решить. Радиоактивные отходы производства ядерной энергии должны храниться таким образом, чтобы радиоактивные атомы не диффундировали из контейнера до тех пор, пока уровень радиоактивности не снизится в достаточной степени.Это действительно может быть очень долгий период: часто около 1000 лет. Таким образом, контейнер должен быть изготовлен из материала, в котором коэффициент диффузии атомов очень низкий (и контейнер должен быть очень толстым, чтобы увеличить расстояние диффузии). Это гарантирует, что время, необходимое для диффузии атомов из контейнера, будет как можно дольше.

Обычно радиоактивные атомы взвешены в стеклянной матрице, такой как боросиликатное стекло. Коэффициент диффузии атомов в этом стекле невелик, поэтому вероятность диффузии атомов из стекла меньше, чем они перестанут быть радиоактивными.Затем стекло запечатывается в стальные контейнеры и закапывается глубоко в землю под камнями в отдаленных районах вдали от населенных пунктов.

Полупроводники

Полупроводниковые светодиоды из нитрида галлия от Кембриджского веб-сайта центра нитрида галлия

Полупроводники могут быть изготовлены путем легирования одного материала (часто кремния) небольшим количеством атомов другого материала с другой валентностью. Это называется легированием и означает, что в материале имеется избыток носителей заряда (электроны, если валентность легирующего вещества больше, чем у кремния, или дырки, если оно меньше).Подробнее об этом см. TLP по полупроводникам.

Легирование часто осуществляется диффузионными методами: кремний помещается в газ атомов легирующей примеси и нагревается до высоких температур. Атомы примеси диффундируют вниз по градиенту химического потенциала в кремний. Как и в случае науглероживания, этот процесс следует второму закону Фика.
На практике процесс диффузии происходит в два этапа. После первоначальной диффузии, описанной выше, атомы будут сосредоточены в основном на поверхности кремния.Следовательно, образец должен быть отожженный чтобы «загнать» атомы, чтобы они вышли за пределы поверхности.

предыдущая | следующий .

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 информация

Diffusion, Video

Diffusion Definition

Слово «диффузия» латинского происхождения — «diffusio» в переводе с латыни означает «распространение, рассеяние.«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 будет происходить 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 выглядит этот процесс.

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 — коэффициент градиент концентрации 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 для образования капель), 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 однородный 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.

.

Frontiers | Зависящая от времени диффузионная МРТ при раке: моделирование тканей и приложения

Введение

Благодаря изучению смещения молекул воды в микроскопическом масштабе, диффузионно-взвешенная визуализация (DWI) хорошо зарекомендовала себя как мощный неинвазивный метод МРТ для характеристики порядка или нарушения тканей. Поскольку градиенты диффузии повышают чувствительность общего MR-сигнала к потенциальным тонким изменениям, происходящим на клеточном уровне, DWI широко используется для изучения аномального клеточного роста, характеризующего развитие рака [1] и / или прогнозирования терапевтического результата [2].

Кажущийся коэффициент диффузии (ADC) — отличительная черта DWI — был признан полезным и чувствительным суррогатом плотности клеток [3, 4], открывая путь для неинвазивного определения стадии опухоли и характеристики эффективности лечения рака [5 ]. Однако чувствительность не приравнивается к специфичности, что приводит к путанице при попытке интерпретировать изменения диффузии значимым образом. Размер клеток, плотность и / или компартментная диффузность могут влиять на измерения ADC, так что изменения в сигнале диффузии нельзя однозначно отнести к конкретным свойствам ткани.

В целом диффузия не гауссова. В то время как причины, по которым сложность ткани не может быть сведена к единой метрике косвенной диффузии, многочисленны, два конкретных аспекта негауссовой диффузии заслуживают нашего особого внимания.

Для данного времени диффузии полное описание сигнала диффузии S может быть записано в виде ряда Тейлора, также известного как расширение кумулянта [6, 7]: ln (S / S0) = — bD + (bD) 2K / 6 + O (D2), где D — коэффициент диффузии, а K — эксцесс.Таким образом, приближение первого порядка справедливо только для bD ≪ 1/ K , т.е. малых значений b (b <1 мс / мкм ² in vivo ). Оценка полного тензора эксцесса может помочь более точно охарактеризовать структуру ткани за счет увеличения времени сканирования. Успешные примеры лечения рака можно найти у Jensen and Helpern [7] и Szczepankiewicz et al. [8], но выходят за рамки данного обзора.

В качестве альтернативы, этот обзор фокусируется на зависящей от времени диффузии (TDD), т.е.е., проявление сложности ткани через зависимость введенных ранее показателей от времени диффузии t : D = D ( t ) (и K = K ( t )) , иногда также называемую временной диффузионной спектроскопией [9]. Цель этого обзора — предоставить заинтересованному читателю все ключи и инструменты, необходимые для разработки эксперимента TDD, в котором параметры микроструктуры ткани могут быть разумно и однозначно оценены.

Основная проблема TDD заключается в том, что для биологической системы в целом не существует аналитического решения для зависимости диффузии от времени.

Если начать с положительной стороны, то есть две крайние временные области, в которых существует точное решение. Диффузия в бесконечно коротком временном режиме хорошо определена для любой системы и отделяет геометрические свойства от чисто диффузионных свойств ткани [10]. С другой стороны, диффузию в режиме бесконечно длительного времени можно охарактеризовать на основе универсальных классов тканевых нарушений [11].

Между ними представлена ​​простая геометрическая модель, для которой внутриклеточная диффузия может быть удобно выведена для любого заданного времени / частоты [12, 13]. Для биологической системы и / или раковых клеток обсуждается диапазон размеров клеток, к которым они могут применяться.

На основе этих результатов сделан обзор основных моделей, используемых для характеристики опухолевой ткани с помощью TDD: IMPULSED [14], POMACE [15] и VERDICT [16]. Моделируя клетки как непроницаемые сферы, делаются дополнительные предположения для описания ECS и, наконец, оценки диффузионной способности, размера клеток и объемной доли ex vivo и in vivo .Обсуждаются также негеометрические модели [17, 18].

Проницаемость мембраны — ключевой параметр, которым часто пренебрегают при характеристике тканей. Используя временную зависимость, мы обсуждаем, как этот параметр, который, вероятно, может варьироваться в опухолях, может быть оценен в определенных временных режимах [17, 19] или с помощью нового моделирования [20].

Обсуждаются также потенциальные вопросы, которые следует учитывать при моделировании опухолевой ткани. Эксперименты должны быть тщательно спланированы, чтобы оправдать любые предположения моделирования, избежать переобучения и оптимизировать точность и точность посадки.

Наконец, рассматривается растущее влияние TDD в доклинических и клинических условиях. Различают высокочувствительные, но неспецифические результаты, часто лишенные строгости надлежащего моделирования опухолевой ткани, и конкретные, но менее чувствительные исследования, выводы которых не всегда подкрепляются различными методологиями. Наконец, обсуждаются вопросы, касающиеся клинических сканеров, а также перспективы и потенциал TDD в отношении новых направлений исследования рака.

Распространение, зависящее от времени: фундаментальные вопросы и концепция

Как правило, нет аналитического решения для зависимости диффузии от времени.Проблема упрощается только в трех конкретных режимах: на бесконечно коротких временах, на бесконечно больших временах (также известных как предел извилистости) и в режиме, близком к долгому. Мы кратко опишем, как диффузия ведет себя в этих трех временных областях.

Кратковременный режим

Универсальное поведение диффузии, измеренное с помощью импульсного градиентного спинового эхо (PGSE, рис. 1A) на коротких временах t было первоначально получено в пористой среде Mitra et al. [10]. В среде со свободной диффузией D ₀ общий коэффициент диффузии D можно записать как:

DPGSE (t) = D0 (1−43dπ · SV · D0t) + O (D0t), причем O (D0t) ≪D0t при t → 0.(1)

, где d — количество измерений, по которым молекулы могут диффундировать, и S / V — отношение поверхности к объему барьеров / стенок / клеточных мембран. Аналогичная формула была получена для осциллирующего градиентного спинового эха (OGSE, рис. 1B) с использованием косинусоидальной формы волны, полученной на частоте ω [21]:

DOGSE (ω) = D0 (1 − c (N) d2 · SV · D0ω) + O (D0ω), причем O (D0ω) ≪ D0ω, когда ω → ∞. (2)

Поправочный коэффициент c ( N ) зависит от количества колебаний N и быстро сходится к 1 [22].

Рисунок 1 . Диаграмма импульсной последовательности для PGSE (A) и OGSE (B) и диффузия в биологической системе, измеренная с помощью PGSE (C) и OGSE (D) . В кратковременном режиме (красный) диффузия полностью характеризуется средним коэффициентом свободной диффузии D ₀ и отношением поверхности к объему S / V . На больших временах (синий) диффузия достигает предела извилистости D _∞ с 1/ t (PGSE) или ω ^3/2 (OGSE).Нет точного решения для временной зависимости промежуточной диффузии. A и B — константы, зависящие от геометрии.

Интересно, что этот режим однозначно отделяет диффузионные свойства среды D ₀ от чисто геометрических ограничений, заложенных в S / V . Линейность диффузии относительно t ^1/2 / ω ^-1/2 остается действительной для типичной биологической системы, состоящей из внутри- и внеклеточных молекул воды, если кратковременный режим достигается в обоих компартментах.

Достоверность оценок отношения поверхности к объему была впервые проверена экспериментально с использованием режима регистрации стимулированного эха (STEAM) на осадочных породах [23, 24] и крупногабаритных гранулах [25]. Позже это было проверено на более мелких структурах [26] и растворах упакованных шариков различного размера (радиус 1–400 мкм) с использованием OGSE [27].

Кратковременный режим действителен только в том случае, если типичный масштаб ограничения R намного превышает длину диффузии ЯМР D0t [10]. Для небольших структур in vivo ( R <10 мкм) только OGSE может достичь достаточной диффузионной силы, чтобы исследовать этот режим, путем накопления контраста по N колебаниям: b _всего = N × b _{N = 1} [27].Линейность D с ω ^−1/2 была недавно продемонстрирована для f = ω / 2π> 90 Гц в глиоме мозга мышей [18] с большим радиусом клетки (GL261, R _клетка ~ 5 мкм). Квадратичное неравенство f ~ 1 / t≫D0 / R2 быстро становится невозможным для более мелких структур (здоровая ткань мозга, астроциты, нейроны с R ~ 1 мкм). Для этих приложений следует использовать специальные и сильные настраиваемые градиенты диффузии [27, 28].

Предел извилистости

При очень долгом времени диффузионная длина превышает типичную длину ограничения в среде и приближается к макроскопическому пределу «извилистости» D ( t ) = D _∞ (рис. 1C). Диффузия становится гауссовой, а временная зависимость и мелкие детали микроструктуры теряются. Для многокамерной системы без обмена каждое отделение невозможно отличить от однородной среды, и в результате наблюдается многоэкспоненциальное поведение.Различные модели, используемые для описания белого вещества в этом режиме, подробно описаны и рассмотрены в Ferizi et al. [29] и Panagiotaki et al. [30].

В полностью ограниченной геометрии D ( т ) = 〈 x ² ( т )〉 / 2 т <2 R ² / т . Диффузия внутри закрытых непроницаемых структур сходится к D _∞ = 0 как 1/ t .

Приближается к долгому режиму

Пертурбативное решение зависимости диффузии от времени существует вблизи предела извилистости [11, 31].В этом режиме Новиков и др. [11] показали, что диффузия зависит от крупномасштабных структурных флуктуаций по степенному закону:

DPGSE (t) = D∞ + A · t − ϑ (3)

с ϑ = ( p + d ) / 2, p и d , которые являются соответственно дискретным структурным показателем и пространственной размерностью задачи, как в уравнениях (1) и (2) в Новиков и др. . [11]. Показатель p характеризует глобальную структурную сложность, противопоставляя регулярные решетки ( p = ∞) сильно разупорядоченным средам ( p <0).Случай p = 0 соответствует ближнему беспорядку, когда ограничения некоррелированы или имеют конечную корреляционную длину. Вне трехмерных разбавленных структур, лишенных дальнего порядка, таких как раковые клетки, диффузия PGSE и OGSE может быть выражена как Novikov et al. [11] и ДеСвит и Сен [32]:

DPGSE (t) = D∞ + A / t при t → ∞ (4) DOGSE (ω) = D∞ + B · ω3 / 2 при ω → 0. (5)

Предыдущие уравнения подчеркивают, что нет однозначного соответствия между временем диффузии и частотой колебаний.Это становится очевидным при совмещении измерений OGSE и PGSE на аналогичных графиках [28, 33]. Обычный подход при объединении PGSE и OGSE заключается в использовании одного измерения PGSE в качестве суррогата для измерения диффузии с нулевой частотой [27, 33–35]. Этого следует избегать, поскольку нельзя пренебрегать временной зависимостью PGSE, как показано на рисунке 5.

На все остальное время

Как степень промежуточного режима, так и поведение диффузии в этом режиме, как правило, неизвестны (рисунки 1C, D).В качестве альтернативы приближение Паде [36] рассматривалось в нескольких исследованиях для интерполяции между коротковременным и долгим режимами. Было обнаружено отличное согласие между оценками S / V из аппроксимации Паде и микроскопией, выполненной на моноразмерных пакетах сфер [17, 37]. На сегодняшний день этот неспецифический подход не применялся для характеристики раковых клеток.

Моделирование опухолевой ткани: различные подходы

Простая модель для внутриклеточной диффузии

Практическое решение для характеристики структуры ткани с помощью TDD состоит в (а) моделировании клеточного микросреда с использованием простых геометрических форм, где существует аналитическое решение для внутриклеточной диффузии D _ics , и (b) учет внеклеточного вклада в один из вышеупомянутых режимов (короткий / длинный / предел извилистости).Здесь подробно описан случай непроницаемых сфер, которые представляют собой простейшую трехмерную геометрическую модель для характеристики клеток — и, следовательно, раковых клеток (рис. 2).

Рисунок 2 . Моделирование ткани опухоли: внутриклеточная диффузия. Электронная микрофотография (ЭМ) клеток глиобластомы мыши GL261 (A) . Приблизительные контуры ячеек обведены красным. (B) Простая трехмерная геометрическая модель опухолевых клеток. Предполагается, что клетки имеют идеально сферическую форму, однородные по размеру и полностью непроницаемые. (C) Коэффициент диффузии внутри непроницаемых сфер (черный) и его производная по частоте: мгновенная скорость дисперсии (серый цвет, произвольные единицы). Частоты колебаний нормированы на характеристическую частоту ткани D0 / R2. EM был извлечен из набора данных, который использовался для измерения размера клеток в Reynaud et al. [15].

Диффузия внутри непроницаемых сфер

Затухание сигнала внутри непроницаемых сфер было впервые получено для PGSE Мердеем и Коттсом [12] и для OGSE группой Вандербильта [13].Внутриклеточная диффузия PGSE выражается как:

Dics, PGSE (t) = 4R2 (Δ − δ / 3) (τRδ) 2∑n1μn6 (μn2−2) {μn2δτR − 1 + exp (−μn2δτR) + exp (−μn2ΔτR) [1 − ch (μn2δτR)] } (6)

Здесь R — радиус ячейки, δ и Δ — продолжительность градиента и интерградиента, а τR = R2 / D0 — характерное время диффузии ячейки (R = D0τR). μ _n численно оценивается как корень n-й степени из ∂ j ₁ (μ) / ∂μ, где j1 (μ) = (sin (μ) -μ · cos (μ)) / μ2 — сферическая функция Бесселя первого рода.Для эксперимента PGSE в режиме узкого импульса время диффузии t равно длительности межградиентного взаимодействия Δ. Импульсы конечной длительности δ действуют как фильтр нижних частот на автокорреляционной функции скорости [38, 39], потенциально влияя на функциональную форму зависимости диффузии от времени (см., Например, уравнение 8 и уравнение 9 в Fieremans et al. [40]). — исследование аксонов).

Для OGSE, используя тот же формализм:

Dics, OGSE (ω) = 2D0 (ωτR) 2∑n1 (μn2−2) {1μn4 + (ωτR) 2 + 2μn2τR / δ (μn4 + (ωτR) 2) 2 [exp (−μn2δτR) −1 + exp (−μn2∆τR) ) [1 − ch (μn2δτR)]]} (7)

Диффузионное поведение внутри непроницаемых сфер показано на рисунке 2C, большинство изменений происходит вокруг характеристической частоты ткани 1 / τR = D0 / R2.

Полный список исследований TDD и моделей, используемых для характеристики структуры ткани на основе этой геометрии, подробно описан в другом разделе рукописи. В дополнение к нереалистичному случаю бесконечных непроницаемых мембран, уже описанному Таннером и Стейскалом [41], аналогичные выражения были получены для диффузии внутри сферических оболочек [42] и бесконечных цилиндров [43]. Первый, чтобы представить клеточные ядра и цитоплазму, добавляет две дополнительные степени свободы к проблеме, которая уже подвержена переобучению [15].Последний оказался успешным в оценке размера маленьких цилиндров в отсутствие внеклеточной среды [44] и может быть многообещающим для оценки размера аксонов, но мало пригоден для MR при раке.

Частота колебаний в зависимости от размера ячейки

В зависимости от размера клеток, характеристическая частота ткани D0 / R2 может оставаться вне досягаемости при использовании OGSE и обычных градиентов диффузии, что препятствует хорошей выборке зависимости диффузии от времени. На рис. 3А показано поведение диффузии в реалистичном диапазоне радиусов ячеек ( R = 1–10 мкм) и коэффициента свободной диффузии ICS ( D ₀ = 2 мкм ² / мс).Без специальной градиентной вставки единственные частоты колебаний, которые можно измерить с достаточным диффузионным контрастом на коммерческих сканерах, ограничены крайней левой частью спектра ( f _OGSE <300 Гц), что недостаточно для исследования диффузии внутри мелкие структуры ( R = 1–2 мкм). С другой стороны, кратковременный предел, характеризующийся линейной зависимостью между D и ω ^−1/2 , уже доступен для более крупных ячеек ( R = 5–10 мкм, см. Рисунок 3B). , как продемонстрировано in vivo в Reynaud et al.[18].

Рисунок 3 . Внутриклеточная диффузия и размер клеток. (A) Диапазон частот колебаний, доступный на доклинических сканерах ( f _OGSE <300 Гц, серая область), наиболее подходит для характеристики зависимости диффузии от времени внутри крупных структур ( R > 3 мкм) . (B) Кратковременный режим, характеризующийся линейной зависимостью между D и ω ^−1/2 (уравнения 1 и 2), доступен только для очень больших ячеек ( R > 5 мкм).Графики были адаптированы из уравнений, полученных в Xu et al. [13].

Моделирование непроницаемой ткани опухоли

Обычно используемый рисунок для описания опухолевой ткани представляет собой мультикомпартментную модель без обмена, которая позволяет отличить внутриклеточную диффузию от внеклеточной.

Непроницаемые сферы во внеклеточном пространстве

По крайней мере, четыре независимых параметра (радиус клетки R , свободная диффузионность ICS / ECSD0ics / D0ecs, фракция внутриклеточного объема f ) необходимы для описания системы {непроницаемые сферы + отсек ECS}.Дополнительные параметры требуются для описания диффузии ECS вне предела извилистости ( D = cste) и кратковременного режима (уравнения 1-2) или для моделирования дополнительных компартментов, таких как сосудистая сеть, с помощью VERDICT [16]. На практике несколько измерений PGSE [16, 45] или комбинация измерений PGSE и OGSE [14, 15] объединяются, чтобы исследовать диффузию в определенной или нескольких частотно-временных областях.

Модель ИМПУЛЬС

Модель IMPULSED (визуализация микроструктурных параметров с использованием ограниченной спектрально редактируемой диффузии) объединяет несколько низкочастотных измерений OGSE ( f _OGSE <150 Гц) и одно получение PGSE в режиме длительного времени (рис. 4A) для количественной оценки характерный размер ограничения и фракции ICS [14, 46].

Рисунок 4 . Параметры MR и сигнал диффузии для трех геометрических моделей: IMPULSED (A) , POMACE (B) и VERDICT (C) . Требуется всего 20 измерений (5 b -значений, 4 времени диффузии), чтобы соответствовать сигналу диффузии с IMPULSED (красный). С помощью POMACE (синий) получают 42 точки (3 b -значений, 14 времен диффузии), строго ограниченных режимом DTI ( b <0,5 мс / мкм ² ).Для полной реализации VERDICT (зеленый) требуется 44 измерения, повторенных по трем ортогональным осям (X / Y / Z), плюс регистрация при b = 0. Обратите внимание на различный масштаб значения b по горизонтальной оси. Графики иллюстрируют протоколы, описанные в Reynaud et al. [15], Panagiotaki et al. [16], Jiang et al. [46].

Этот подход оказался успешным при оценке размера раковых клеток in vitro в диапазоне (5–10) мкм с использованием лишь небольшой части измерений на мышиных (MEL) и человеческих лейкозных клетках (K562) [14]. In vivo , корреляция между гистологией и клеточностью на основе IMPULSED была выше, чем между гистологией и обычными измерениями PGSE, в трех разных моделях ксенотрансплантата рака прямой кишки (DiFi, HCT116 и SW620) [46].

Эта модель предполагает, что диффузия ECS линейно изменяется с частотой f _OGSE в диапазоне 50–150 Гц. Это предположение было мотивировано (i) эмпирическим линейным поведением общего ADC (внутри- и внеклеточного), измеренного в мозге здоровой мыши [34], и (ii) моделированием во внеаксональном пространстве, полученным из гистологических образцов [43].К сожалению, это было бы справедливо только для двумерной задачи ( d = 2 в уравнении 3), и вместо этого правильная формула для диффузии ECS вокруг сфер при больших временах дается уравнением (5). Однако линейное приближение можно рассматривать как приближение в узком частотном диапазоне с небольшим влиянием на оцениваемые параметры.

Модель POMACE

Модель POMACE (МРТ с импульсным и осциллирующим градиентом для оценки размера клеток и внеклеточного пространства) объединяет несколько измерений OGSE и PGSE в различных временных областях (рис. 4B).Оценка микроструктурных параметров выполняется в два этапа. Отношение поверхности к объему и коэффициент свободной диффузии сначала оцениваются с использованием высокочастотного OGSE в кратковременном режиме [18] с использованием уравнения (2). Эти значения затем используются в качестве ограничений при подборе низкочастотных данных OGSE и PGSE (рис. 5, f _OGSE <88 Гц) к модели водонепроницаемых сфер, купающихся в ECS [15].

Рисунок 5 . In vivo зависимая от времени диффузия в опухолях по сравнению счастота (A) и время распространения (B) . Синтетические данные для различных клеточных линий (SW620, GL261 и LS174T) были получены с использованием наилучшего соответствия для сигналов диффузии, соответственно, сообщенных в Reynaud et al. [15], Panagiotaki et al. [16], Jiang et al. [46]. Диапазон частот и времен диффузии, измеренных с помощью IMPULSED (красный), POMACE (синий) и VERDICT (зеленый), можно оценить в (A, B) . Серая область очерчивает границу между точками данных OGSE (кружки) и PGSE (звезды).Для целей отображения измерениям PGSE и OGSE приписывались эквивалентная частота f _OGSE и время диффузии t согласно fOGSE = 9/64 × t-1, как обсуждалось у Новикова и др. [79].

Используя специальную гистологическую катушку [47], валидность POMACE была проверена ex vivo . Карты ICS хорошо коррелировали с данными оптической микроскопии, выполненными на тех же образцах, которые использовались для МРТ [15]. In vivo , оценки ICS согласуются с оценками ECS из теории эффективной среды [25], тогда как размеры клеток соответствуют измерениям электронной микроскопии в глиомах мышей (GL261).

Структура POMACE позже была применена для in vivo оценки ответа на лечение глиом GL261 и карциномы молочной железы 4T1 [48]. После лечения опухоли с помощью 5FU и бевацизумаба наблюдалось значительное снижение ECS с помощью POMACE, в то время как отсутствие воздействия на S / V или радиус клетки предполагало частичное ухудшение мембраны и / или уменьшение видимой рестриктивной поверхности из-за увеличения упаковки клеток. в обеих клеточных линиях.

Модель VERDICT

ВЕРДИКТ (vas

.

Diffusion Imaging; Введение, учебные пособия и справочная информация по тензорной диффузионной визуализации и техникам

Как видите, межиндивидуальная статистика будет эффективной только тогда, когда изображения мозга находятся в одном и том же пространстве, и об этом может позаботиться пространственная нормализация. Важное различие между визуализацией тензора диффузии и другими методами визуализации (такими как анатомические исследования T1 или сканирование фМРТ) заключается в том, что DTI позволяет выполнять более сложную нормализацию. Там, где сканирование T1 и fMRI нормализовано на основе шкалы интенсивности, изображения тензора диффузии вместо этого предлагают возможность регистрировать тензоры, которые имеют как длину, так и направление.Таким образом, это свойство позволяет лучше регистрировать структуры белого вещества с сильно анизотропными тензорами. В этом видео разработчик общедоступного набора инструментов нормализации на основе тензора, Гэри Чжан, обсуждает, почему нормализация на основе тензора может быть лучше, чем другие методы нормализации, какие статистические анализы вы можете выполнить после нормализации, а также разницу между пространственной статистикой на основе трактов (TBSS ) и анализ конкретных трактов (TSA). На изображении ниже подробно описаны некоторые преимущества.Например, в области с желтыми кругами вы видите области мозга, в которых анатомическим элементам T1 было бы трудно эффективно регистрировать анатомию между субъектами для разных участков белого вещества, потому что контраст в этой области одинаков, несмотря на то, что он включает несколько участков с разная ориентация. Использование тензорной информации, показанной справа, поможет различать эти области и позволит более совершенную регистрацию между объектами.

Преимущество специальной тензорной нормализации.Изображение предоставлено DTI-TK

В этом руководстве будет ряд шагов, которые мы должны выполнить, чтобы протестировать статистические модели, эти шаги подробно описаны ниже:

1. Убедитесь, что файлы тензора имеют правильный формат для нормализации тензора.

2. Создайте шаблон населения путем нормализации тензорных изображений

3. Зарегистрируйте шаблон популяции в пространстве MNI
4. Создайте скалярные изображения (FA, MD, AD, RD) и проверьте качество
5. Выполните воксельную статистику всего мозга
6.Поделитесь своими данными.

Здесь вы можете просмотреть слайды, посвященные некоторым основам этого руководства. На протяжении всего руководства будут задаваться вопросы, которые помогут лучше понять каждый из шагов и познакомят вас с используемым программным обеспечением. Для этого может потребоваться установка указанного программного обеспечения и загрузка примеров данных с моего веб-сайта. В конце документа вы найдете PDF-файл с ответами на вопросы этого руководства, хотя постарайтесь разобраться во всем самостоятельно, насколько это возможно.Если вы столкнетесь с проблемами при прохождении этого руководства, направляйте свои вопросы на форум по распространению изображений, где, вероятно, кто-то сможет вам помочь. Обязательно опишите свой вопрос как можно яснее. Не забудьте задавать вопросы, касающиеся программного обеспечения, на их форумах или в списках рассылки.

Чтобы подготовить тензорные изображения к нормализации, мы должны убедиться, что тензоры:
— имеют правильную единицу диффузии,
— удаляют крайние выбросы,
— симметричны и положительно определены.

Пример кода:

 i = 052212_s09_dti_eddy_fm_strip_dt.nii
prefix = 052212_s09_dti_eddy_fm_strip
echo ~~~ Настройка единиц коэффициента диффузии ~~~
TVtool -in $ i -scale 1000000000 -out $ {prefix} _sdt.nii.gz
echo ~~ Проверка и удаление выбросов ~~
TVtool -in $ {prefix} _sdt.nii.gz -norm
SVtool -в $ {префикс} _sdt_norm.nii.gz -stats
BinaryThresholdImageFilter $ {prefix} _sdt_norm.nii.gz $ {prefix} _non_outliers.nii.gz 0 100 1 0
TVtool -in $ {prefix} _sdt.nii.gz -mask $ {prefix} _non_outliers.nii.gz -out $ {prefix} _tmp.nii.gz
mv -f $ {префикс} _tmp.nii.gz $ {префикс} _sdt.nii.gz
TVtool -in $ {prefix} _sdt.nii.gz -norm
echo ~ Статистика для $ {prefix} - максимальное значение должно быть меньше 100 ~
SVtool -в $ {префикс} _sdt_norm.nii.gz -stats
эхо ~~~ Обеспечение положительной полуопределенности ~~~
TVtool -in $ {префикс} _sdt.nii.gz -spd -out $ {префикс} _tmp.nii.gz
mv -f $ {префикс} _tmp.nii.gz $ {префикс} _sdt.nii.gz
эхо ~~~ Стандартизация воксельного пространства ~~~
TVAdjustVoxelspace -in $ {prefix} _sdt.nii.gz -origin 0 0 0 -out $ {prefix} _sdt.nii.gz
echo ~~~ Передискретизация в изотропные воксели ~~~
TVResample -in $ {prefix} _sdt.nii.gz -align center -size 256 256 128 -vsize 1 1 1
rm -f $ {префикс} _tmp.nii.gz
rm -f $ {префикс} _non_outliers.nii.gz
rm -f $ {префикс} _sdt_nonSPD.nii.gz
rm -f $ {префикс} _sdt_norm.nii.gz
 

Q1: Просмотрите руководство по предварительной обработке DTI-TK, укажите, какие строки вышеприведенного кода соответствуют каким шагам в схеме. Какова цель каждого шага? При использовании этого кода убедитесь, что вы используете правильные единицы коэффициента диффузии, приведенный выше код является всего лишь примером, узнайте, как преобразовать свои собственные здесь.

В этом коде используется ряд новых инструментов. Одно из них будет интересно рассмотреть поближе.

TVtool от DTI-TK (скачать здесь)
http://dti-tk.sourceforge.net/pmwiki/pmwiki.php?n=Documentation.TVtool

Q2: Используя TVtool, выясните, как и затем напишите код для создания карты осевой диффузии (AD) из стандартизированного файла тензора (загрузите 052212_s09_dti_eddy_fm_strip_sdt.nii.gz здесь). Какие еще карты может помочь создать этот инструмент?

Q3: Какие 4 основных измерения диффузии часто используются в DTI? Взгляните на объяснение на этой странице и опишите, какой показатель вы бы выбрали, если бы вас выборочно интересовало белое вещество?

Дополнительные интернет-ресурсы:

— Подробнее о том, как рассчитать тензор диффузии здесь
— Статьи, демонстрирующие улучшенную регистрацию при использовании DTI-TK здесь и здесь

2.Нормализовать тензорные изображения

На следующем этапе мы возьмем стандартизированные тензорные изображения для каждого отдельного объекта и проведем многоэтапную нормализацию. Шаги нормализации подробно описаны на веб-сайте DTI-TK, но по существу состоит из четырех шагов:
1. Сделайте начальное среднее значение
2. Запускаем жесткую регистрацию
3. Запустите аффинную регистрацию
. 4. Запустите диффеоморфную регистрацию.
Каждый шаг нормализации итеративно приближает каждое отдельное изображение к среднему значению для генеральной совокупности.Как описано DTI-TK:

«Жесткое выравнивание направлено на то, чтобы найти жесткое преобразование, линейное преобразование, которое не изменяет размер и форму объектов, которое наилучшим образом выравнивает два рассматриваемых объекта. (…) Аффинное выравнивание улучшает жесткое выравнивание, находя более общее линейное преобразование, которое позволяет глобальный размер и форма объектов, которые необходимо изменить. (…) После того, как вы выровняли объемы DTI аффинно, вы можете приступить к деформируемому выравниванию, которое предназначено для улучшения качества выравнивания за счет удаления различий в размере или форме между локальными структурами.»- ДТИ-ТК

На рисунке ниже показано, как применяются и комбинируются шаги.

Итерационный процесс нормализации. Изображение DTI-TK

Этот процесс начинается с усреднения всех отдельных тензорных изображений для создания шаблона начальной точки, шаблона населения, который еще не нормализован, пример FA из этих тензорных изображений может выглядеть примерно так:

Пример ненормированного среднего FA совокупности изображений

Затем, в качестве следующего шага, каждый человек многократно регистрируется в этом новом шаблоне совокупности.Этот процесс состоит из жестких, аффинных и диффеоморфных регистраций. Преобразование твердого тела в трех измерениях (x, y и z) определяется шестью параметрами: тремя перемещениями и тремя поворотами (источник).

Affine включает преобразование 12 параметров: 3 поворота, 3 перевода, 3 поворота, 3 увеличения

Эти преобразования являются подмножеством 12 преобразований, допустимых при аффинной регистрации трехмерного объема, которые помимо вращения и перемещения также включают три сдвига и три увеличения.Хотя аффинные регистрации все еще имеют ограничение, заключающееся в том, что параллельные линии остаются параллельными после регистрации, таким образом, это ограничивается линейной регистрацией. Или, как сказано в вики:

«В геометрии аффинное преобразование, аффинное отображение или аффинность (от латинского affinis,« связанный с ») — это функция между аффинными пространствами, которая сохраняет точки, прямые и плоскости. Кроме того, наборы параллельных линий остаются параллельными после аффинное преобразование.Аффинное преобразование не обязательно сохраняет углы между линиями или расстояния между точками, хотя оно сохраняет отношения расстояний между точками, лежащими на прямой.»- Википедия

Наконец, диффеоморфная или деформируемая регистрация также снимает эти ограничения и допускает нелинейную регистрацию более высокого измерения, если она обратима.

Примеры диффеоморфных преобразований

Пример сценария:

echo ~~~ Создать начальное среднее ~~~;
для spd в ls * sdt.nii.gz;
делать
subj_list_file = subj_list;
echo $ spd >> subj_list_file.txt;
сделанный
TVMean -в $ subj_list_file.txt -out mean_initial.nii.gz;
TVResample -in mean_initial.nii.gz -vsize 1 1 1 -size 256 256 128;
echo ~~~ Жесткое выравнивание с начальным средним ~~~;
sh dti_rigid_population mean_initial.nii.gz $ {subj_list_file} .txt EDS 3;
echo ~~~ Аффинное выравнивание с выходом из жесткого выравнивания ~~~;
sh dti_affine_population mean_rigid3.nii.gz $ {subj_list_file} .txt EDS 3;
echo ~~~ Диффеоморфное выравнивание с выходом из аффинного выравнивания ~~~;
TVtool -tr -in mean_affine3.nii.gz;
BinaryThresholdImageFilter mean_affine3_tr.nii.gz mask.nii.gz 0 .01 100 1 0;
sh dti_diffeomorphic_population mean_affine3.nii.gz $ {subj_list_file} _aff.txt mask.nii.gz 0,002 

Q4: Какой шаг, по вашему мнению, займет больше всего времени? Обратите внимание на шаг, на котором вы передискретизируете изображение, чтобы получить изотропный размер вокселя, какая это строка? Прочтите этот пост о важности, объясните, почему нам нужны изотропные воксели для отслеживания волокон. Передискретизация также изменяет размеры изображения, когда вы их меняете, вы можете прочитать здесь, что DTI-TK требует, чтобы ваши размеры изображения были степенями двойки.Какие степени двойки чаще всего используются в объемных измерениях нейровизуализации?

Дополнительные интернет-ресурсы:

— Курсы по пространственной нормализации фМРТ от Wellcome Trust center здесь и здесь
— Курсы по пространственной нормализации фМРТ методом SPM здесь
— Расширенные инструменты нормализации (ANTS) для нормализации скалярных изображений
— Справочная документация по нормализации ANTS
— Дополнительная документация от DTI-TK по нормализации тензора

3. Зарегистрируйте шаблон населения в MNI-atlas

Ниже вы можете увидеть результат постнормализации среднего популяции.На этом этапе вы находитесь на перекрестке вариантов анализа результатов. Следующие шаги — лишь один из способов, поскольку, когда вы освоитесь с анализом, программным обеспечением и сценариями, вы можете попробовать изучить другие варианты.

Пример нормализованного среднего FA совокупности изображений

После нормализации вы можете зарегистрировать свой шаблон населения в пространстве MNI. Для этого шага вы можете, например, использовать один из предоставленных атласов в FSL, например ICBM152, который представляет собой среднее значение 152 T1-взвешенных МРТ-сканирований, линейно и нелинейно (6 итераций) преобразованных в симметричную модель (источник). .Шаблон показан ниже.

MNI ICBM152 нелинейный 6-го поколения. Изображение предоставлено FSL.

Программное обеспечение для регистрации, как известно, плохо справляется с выравниванием изображений по модальностям (например, регистрация FA в T1). В этом случае после многих проб и ошибок я обнаружил, что использование asvDSM из DTI-TK позволяет лучше всего регистрировать файлы FA в пространстве T1, как вы можете видеть на изображении ниже.

Шаблон FA (красный) после регистрации в пространстве MNI (полутоновый)

asvDSM компании DTI-TK
Пример сценария:

 echo ~~~ Зарегистрируйте шаблон населения в MNI ~~~
TVtool -in $ {Population_tensor_mean} -tr -out my_tr.nii.gz
BinaryThresholdImageFilter my_tr.nii.gz my_mask.nii.gz 0,7 100 1 0
TVtool -in $ {Population_tensor_mean} -mask my_mask.nii.gz -out $ {Population_tensor_mean} _strip.nii.gz
TVtool -in $ {Population_tensor_mean} _strip.nii.gz -fa -out $ {Population_tensor_mean} _strip_fa.nii.gz
asvDSM -template $ {MNI_T1} -subject $ {Population_tensor_mean} _strip_fa.nii.gz -outTrans $ {dtiToT1Trans} -sep 0.5 0.5 0.5 -ftol 0,0001
echo ~~~ Запустить конкретный цикл для перехода к T1 ~~~
для i в `cat subject.txt`;
делать
echo ~ Составьте полную деформацию и примените ~
dfRightComposeAffine -aff $ {subj} _affineTrans -df $ {subj} _diffeoTrans -out $ {subj} _combined.df.nii.gz
echo ~ Объедините полную деформацию с привязкой к T1 и примените ~
dfLeftComposeAffine -df $ {subj} _combined.df.nii.gz -aff $ {dtiToT1Trans} -out $ {subj} _toT1_combined.df.nii.gz
deformationSymTensor3DVolume -in $ {subj} _orig -trans $ {subj} _toT1_combined.df.nii.gz -target $ {T1} -out $ {subj} _tensorFile
сделанный
 

Q5: Откройте fslview, нажмите «Файл» -> «Открыть стандарт». В этом каталоге и в атласах каталогов вы можете просматривать все различные атласы, которые автоматически загружаются с помощью FSL.Вы также можете найти изображения атласа в установленном вами каталоге FSL. Найдите шаблон MNI, который вы хотите использовать для регистрации. Как называется этот файл? Назовите 1 причину, по которой вы хотите зарегистрировать свои данные в этом шаблоне.

Дополнительные интернет-ресурсы:

— Подробнее о доступных атласах в FSL
— Подробнее об атласах МНИ
— Атлас белого вещества Hermoye et al.
— Международный консорциум картирования мозга (МБР) DTI-81 atlas
— Корковые ассоциативные тракты Mori et al.(2002)
— Атлас белого вещества человека на основе волоконного тракта Wakana et al. (2004)
— Атлас диффузионной тензорной трактографии Катани и Де Шоттен (2008)
— Другие онлайн-атласы от JHU

4. Сделайте скаляры и проверьте качество

В качестве следующего шага мы создадим карты распространения (FA, MD, AD, RD) каждого человека в пространстве шаблона. Эти карты диффузии также известны как скалярные изображения; у них есть величина, но не направление. Когда у вас есть эти изображения, вы можете просмотреть их и получить представление о качестве нормализации и ваших данных.Один из способов быстро просмотреть все ваши изображения — объединить их в одно 4-мерное изображение с помощью fslmerge.

fslmerge by FSL
http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/Fslutils

Видео нормализованных изображений FA

Пример сценария:

 echo ~~~ Создание сглаженных скаляров для конкретного объекта ~~~
для subj в `cat themes.txt`;
делать
echo ~ Создание карт диффузии ~
TVtool -in $ {subj} _tensorFile.nii.gz -fa -out $ {subj} _fa.nii.gz
TVtool -в $ {subj} _tensorFile.nii.gz -tr -out $ {subj} _tr.nii.gz
TVtool -в $ {subj} _tensorFile.nii.gz -ad -out $ {subj} _ad.nii.gz
TVtool -в $ {subj} _tensorFile.nii.gz -rd -out $ {subj} _rd.nii.gz
echo ~ Гладкие карты диффузии ~
SVGaussianSmoothing -in $ {subj} _fa.nii.gz -fwhm 4 4 4 -out $ {subj} _fa4mm.nii.gz
SVGaussianSmoothing -in $ {subj} _tr.nii.gz -fwhm 4 4 4 -out $ {subj} _tr4mm.nii.gz
SVGaussianSmoothing -in $ {subj} _ad.nii.gz -fwhm 4 4 4 -out $ {subj} _ad4mm.nii.gz
SVGaussianSmoothing -в $ {subj} _rd.nii.gz -fwhm 4 4 4 -out $ {subj} _rd4mm.nii.gz
сделанный
echo ~~~ Объединение изображений FA для контроля качества ~~~
fslmerge -t all_images_MNI_FA * _fa.nii.gz
 

Q6: В некоторых кодах этого руководства впервые используется цикл for. Взгляните на учебник по петлям здесь. Попытайтесь выяснить, как работают «циклы for», затем опишите, что бы вы поместили в файл subject.txt из строки 2. СОВЕТ: вспомните, как переменные работают в bash. Другой вариант — запустить приведенный ниже код вместо строк 2 и 3. Вы можете описать, что это будет делать?

 для i в `ls * _diffeo_fa.nii.gz`;
делать
subj = ʻecho $ i | awk 'BEGIN {FS = "_ diffeo_fa.nii.gz"} {print $ 1}' `

Q7: Обратите внимание, что DTI-TK выводит трассировку (TR) вместо значения MD. Посмотрите здесь, как трассировка связана с MD, и напишите код fslmaths для преобразования TR в MD. Если вы не знаете, как это сделать, введите в командной строке fslmaths, чтобы увидеть все параметры справки.

Q8: Затем опишите, что выполняют строки 10-13, если вы не уверены, что прочтите эту документацию по пространственному сглаживанию. Наконец, в строке 16 мы объединяем все отдельные изображения FA, описывая, почему вы, возможно, захотите это сделать.

Дополнительные интернет-ресурсы:

— Подробнее о сглаживании данных
— Как конвертировать FWHM в сигму

5. Выполните воксельную статистику всего мозга

Теперь, когда у нас есть скалярные изображения в нормализованном пространстве для каждого отдельного человека, мы можем выполнить воксельный анализ. Существует множество инструментов, которые можно использовать для запуска предпочитаемой статистической модели. Метод, который часто используется в диффузионной визуализации, — это пространственная статистика на основе трактов (TBSS) с помощью FSL. Хотя этот метод стал несколько случайным стандартом, в последнее время он подвергся некоторому вниманию.Бах и др. (2014) описывают некоторые важные методологические соображения по использованию TBSS. И Swartz et al. (2014) описывают, как шаг проекции скелета TBSS на самом деле снижает точность алгоритма. Это связано с разработками в инструментах регистрации (например, тензорной нормализацией с помощью DTI-TK и улучшенными алгоритмами расширенных инструментов нормализации [ANTS]), которые сделали методы, используемые в TBSS, устаревшими. Кроме того, существует вероятность того, что вы пропустите тонкие эффекты, которые находятся в одном из меньших участков, которые могут быть удалены при скелетонировании данных.

Пример пространственной статистики на основе трактов. Изображение предоставлено FSL

Из-за этих проблем я предпочитаю проводить воксельный анализ всего мозга. В этом случае я решил использовать рандомизацию FSL, поскольку она бесплатна и не зависит от программного обеспечения, которое должно работать в MatLab (например, SPM и SurfStat). Randomise запускает непараметрический тест, что означает, что он не делает никаких предположений о базовой нормальности данных, что является более надежным тестом, чем обычные GLM.Если вы прочитаете документацию по рандомизации, вы также увидите, что можете включать такие ковариаты, как возраст и пол. Какие важные переменные следует включать в анатомические исследования.
рандомизировать по FSL
http://fsl.fmrib.ox.ac.uk/fsl/fslwiki/Randomise/UserGuide

Пример кода:

 randomise -i all_merge_fa.nii.gz -o randomise_out -d test. мат -t test.con -m my_mask.nii.gz -T
 

Q9: Посмотрите руководство пользователя на случайный выбор и попытайтесь понять, что это за файлы.mat файл и файл .con содержат. Приведите пример для воображаемого случая, когда у вас есть группа пациентов (n = 3) и здоровая контрольная группа (n = 3), и вы хотите проверить, где FA значительно ниже в группе пациентов, а где FA значительно ниже. ниже в контрольной группе. Что означает опция -T в случайном порядке?

Q10: Откройте fslview и откройте стандартное изображение MNI T1 размером 1 мм. Загрузите пример карты t-stat (здесь test_tstat1.nii.gz) и добавьте его в образ MNI.То, что вы видите, пока не очень информативно, нажмите кнопку информационного диалога (i в синем кружке) и измените параметры таблицы поиска. Сделайте первый красно-желтый, включите второй и сделайте его сине-голубым. Закройте диалоговое окно. Подойдите к этому калькулятору p-значения и введите в поля t-ratio, что вам нужна вероятность, равная 0,05, и у вас есть 5 степеней свободы (количество испытуемых — 1). Какова ваша двусторонняя значимая t-статистика? Введите это число на экране fslview в качестве минимального значения яркости и сделайте 5 своим максимальным значением яркости.Хотя это, очевидно, всего лишь тестовые данные, теперь вы видите, как может выглядеть шумная (когда вы тестируете только 6 испытуемых, вы, скорее всего, обнаружите только шум) t-stat карта. Теперь вам нужно начать использовать свои собственные данные и улучшить их! Не забудьте исправить множественное сравнение при запуске ваших данных, чтобы избежать завышенных показателей ложного обнаружения. Вы запускаете t-тесты для каждого отдельного вокселя, которые в сумме дают несколько тысяч на мозг, и вам придется это исправить. Узнайте больше о частоте ошибок в семье здесь.Что делает параметр -T для решения этой проблемы? ПОДСКАЗКА: прочтите этот файл .pdf на фоне беспорогового расширения кластера (TFCE).

Дополнительные интернет-ресурсы:

6. Поделитесь своими данными

Когда вы закончите анализ и захотите опубликовать свои статистические карты, вы можете использовать NeuroVault. Совместное использование ваших статистических карт поможет улучшить мета-анализ, сотрудничество и науку в целом.

Загрузите сюда статистическую карту без обновления и поделитесь своим URL-адресом в публикации

Ответы:

DTI Tutorial 2 Ответы
———————
Ссылка на этот пост: Do Tromp, DTI Tutorial 2 — Normalization and Statistics, The Winnower 3: e145653.31599 (2016). DOI: 10.15200 / winn.145653.31599 .