什么叫核磁共振？物理學(xué)是怎么理解的？醫(yī)學(xué)上是怎樣應(yīng)用的？拜托各位了 3Q

【專家解說】：核磁共振全名是核磁共振成像（MRI），是磁矩不為零的原子核，在外磁場作用下自旋能級發(fā)生塞曼分裂，共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。核磁共振波譜學(xué)是光譜學(xué)的一個分支，其共振頻率在射頻波段，相應(yīng)的躍遷是核自旋在核塞曼能級上的躍遷。 核磁共振是處于靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現(xiàn)象獲取分子結(jié)構(gòu)、人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)信息的技術(shù)。 并不是是所有原子核都能產(chǎn)生這種現(xiàn)象，原子核能產(chǎn)生核磁共振現(xiàn)象是因為具有核自旋。原子核自旋產(chǎn)生磁矩，當(dāng)核磁矩處于靜止外磁場中時產(chǎn)生進(jìn)動核和能級分裂。在交變磁場作用下，自旋核會吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。 核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技術(shù)。是后繼CT后醫(yī)學(xué)影像學(xué)的又一重大進(jìn)步。自80年代應(yīng)用以來，它以極快的速度得到發(fā)展。其基本原理：是將人體置于特殊的磁場中，用無線電射頻脈沖激發(fā)人體內(nèi)氫原子核，引起氫原子核共振，并吸收能量。在停止射頻脈沖后，氫原子核按特定頻率發(fā)出射電信號，并將吸收的能量釋放出來，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計算機處理獲得圖像，這就叫做核磁共振成像。 核磁共振是一種物理現(xiàn)象，作為一種分析手段廣泛應(yīng)用于物理、化學(xué)生物等領(lǐng)域，到1973年才將它用于醫(yī)學(xué)臨床檢測。為了避免與核醫(yī)學(xué)中放射成像混淆，把它稱為核磁共振成像術(shù)(MRI)。 MRI是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用原子核自旋運動的特點，在外加磁場內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號，用探測器檢測并輸入計算機，經(jīng)過處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。 MRI提供的信息量不但大于醫(yī)學(xué)影像學(xué)中的其他許多成像術(shù)，而且不同于已有的成像術(shù)，因此，它對疾病的診斷具有很大的潛在優(yōu)越性。它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像，不會產(chǎn)生CT檢測中的偽影；不需注射造影劑；無電離輻射，對機體沒有不良影響。MR對檢測腦內(nèi)血腫、腦外血腫、腦腫瘤、顱內(nèi)動脈瘤、動靜脈血管畸形、腦缺血、椎管內(nèi)腫瘤、脊髓空洞癥和脊髓積水等顱腦常見疾病非常有效，同時對腰椎椎間盤后突、原發(fā)性肝癌等疾病的診斷也很有效。 MRI也存在不足之處。它的空間分辨率不及CT，帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作MRI的檢查，另外價格比較昂貴。 核磁共振的原理 核磁共振現(xiàn)象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進(jìn)動。 根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核與電子一樣，也具有自旋角動量，其自旋角動量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定，實驗結(jié)果顯示，不同類型的原子核自旋量子數(shù)也不同： 質(zhì)量數(shù)和質(zhì)子數(shù)均為偶數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為0 質(zhì)量數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為半整數(shù) 質(zhì)量數(shù)為偶數(shù)，質(zhì)子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為整數(shù) 迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P 由于原子核攜帶電荷，當(dāng)原子核自旋時，會由自旋產(chǎn)生一個磁矩，這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同，大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置于外加磁場中，若原子核磁矩與外加磁場方向不同，則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象類似陀螺在旋轉(zhuǎn)過程中轉(zhuǎn)動軸的擺動，稱為進(jìn)動。進(jìn)動具有能量也具有一定的頻率。 原子核進(jìn)動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說，對于某一特定原子，在一定強度的的外加磁場中，其原子核自旋進(jìn)動的頻率是固定不變的。 原子核發(fā)生進(jìn)動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關(guān)，根據(jù)量子力學(xué)原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)之間跳躍，而不能平滑的變化，這樣就形成了一系列的能級。當(dāng)原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入后，就會發(fā)生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發(fā)生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎(chǔ)。 為了讓原子核自旋的進(jìn)動發(fā)生能級躍遷，需要為原子核提供躍遷所需要的能量，這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據(jù)物理學(xué)原理當(dāng)外加射頻場的頻率與原子核自旋進(jìn)動的頻率相同的時候，射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場中，只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量，這樣就形成了一個核磁共振信號. 核磁共振的應(yīng)用 NMR技術(shù) 核磁共振頻譜學(xué) NMR技術(shù)即核磁共振譜技術(shù)，是將核磁共振現(xiàn)象應(yīng)用于分子結(jié)構(gòu)測定的一項技術(shù)。對于有機分子結(jié)構(gòu)測定來說，核磁共振譜扮演了非常重要的角色，核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質(zhì)譜一起被有機化學(xué)家們稱為“四大名譜”。目前對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。 對于孤立原子核而言，同一種原子核在同樣強度的外磁場中，只對某一特定頻率的射頻場敏感。但是處于分子結(jié)構(gòu)中的原子核，由于分子中電子云分布等因素的影響，實際感受到的外磁場強度往往會發(fā)生一定程度的變化，而且處于分子結(jié)構(gòu)中不同位置的原子核，所感受到的外加磁場的強度也各不相同，這種分子中電子云對外加磁場強度的影響，會導(dǎo)致分子中不同位置原子核對不同頻率的射頻場敏感，從而導(dǎo)致核磁共振信號的差異，這種差異便是通過核磁共振解析分子結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。原子核附近化學(xué)鍵和電子云的分布狀況稱為該原子核的化學(xué)環(huán)境，由于化學(xué)環(huán)境影響導(dǎo)致的核磁共振信號頻率位置的變化稱為該原子核的化學(xué)位移。 耦合常數(shù)是化學(xué)位移之外核磁共振譜提供的的另一個重要信息，所謂耦合指的是臨近原子核自旋角動量的相互影響，這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原子核自旋在外磁場中進(jìn)動的能級分布狀況，造成能級的裂分，進(jìn)而造成NMR譜圖中的信號峰形狀發(fā)生變化，通過解析這些峰形的變化，可以推測出分子結(jié)構(gòu)中各原子之間的連接關(guān)系。 最后，信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息，處于相同化學(xué)環(huán)境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰，通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子核的數(shù)量，從而為分子結(jié)構(gòu)的解析提供重要信息。表征信號峰強度的是信號峰的曲線下面積積分，這一信息對于1H-NMR譜尤為重要，而對于13C-NMR譜而言，由于峰強度和原子核數(shù)量的對應(yīng)關(guān)系并不顯著，因而峰強度并不非常重要。 早期的核磁共振譜主要集中于氫譜，這是由于能夠產(chǎn)生核磁共振信號的1H原子在自然界豐度極高，由其產(chǎn)生的核磁共振信號很強，容易檢測。隨著傅立葉變換技術(shù)的發(fā)展，核磁共振儀可以在很短的時間內(nèi)同時發(fā)出不同頻率的射頻場，這樣就可以對樣品重復(fù)掃描，從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區(qū)分出來，這使得人們可以收集13C核磁共振信號。 近年來，人們發(fā)展了二維核磁共振譜技術(shù)，這使得人們能夠獲得更多關(guān)于分子結(jié)構(gòu)的信息，目前二維核磁共振譜已經(jīng)可以解析分子量較小的蛋白質(zhì)分子的空間結(jié)構(gòu)。 MRI技術(shù) 核磁共振成像 核磁共振成像技術(shù)是核磁共振在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。人體內(nèi)含有非常豐富的水，不同的組織，水的含量也各不相同，如果能夠探測到這些水的分布信息，就能夠繪制出一幅比較完整的人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖像，核磁共振成像技術(shù)就是通過識別水分子中氫原子信號的分布來推測水分子在人體內(nèi)的分布，進(jìn)而探測人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的技術(shù)。 與用于鑒定分子結(jié)構(gòu)的核磁共振譜技術(shù)不同，核磁共振成像技術(shù)改編的是外加磁場的強度，而非射頻場的頻率。核磁共振成像儀在垂直于主磁場方向會提供兩個相互垂直的梯度磁場，這樣在人體內(nèi)磁場的分布就會隨著空間位置的變化而變化，每一個位置都會有一個強度不同、方向不同的磁場，這樣，位于人體不同部位的氫原子就會對不同的射頻場信號產(chǎn)生反應(yīng)，通過記錄這一反應(yīng)，并加以計算處理，可以獲得水分子在空間中分布的信息，從而獲得人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的圖像。 核磁共振成像技術(shù)還可以與X射線斷層成像技術(shù)（CT）結(jié)合為臨床診斷和生理學(xué)、醫(yī)學(xué)研究提供重要數(shù)據(jù)。 核磁共振成像技術(shù)是一種非介入探測技術(shù)，相對于X-射線透視技術(shù)和放射造影技術(shù)，MRI對人體沒有輻射影響，相對于超聲探測技術(shù)，核磁共振成像更加清晰，能夠顯示更多細(xì)節(jié)，此外相對于其他成像技術(shù)，核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變，而且還能夠?qū)δX、心、肝等功能性反應(yīng)進(jìn)行精確的判定。在帕金森氏癥、阿爾茨海默氏癥、癌癥等疾病的診斷方面，MRI技術(shù)都發(fā)揮了非常重要的作用。 MRS技術(shù) 核磁共振測深 核磁共振探測是MRI技術(shù)在地質(zhì)勘探領(lǐng)域的延伸，通過對地層中水分布信息的探測，可以確定某一地層下是否有地下水存在，地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結(jié)構(gòu)信息。 目前核磁共振探測技術(shù)已經(jīng)成為傳統(tǒng)的鉆探探測技術(shù)的補充手段，并且應(yīng)用于滑坡等地質(zhì)災(zāi)害的預(yù)防工作中，但是相對于傳統(tǒng)的鉆探探測，核磁共振探測設(shè)備購買、運行和維護(hù)費用非常高昂，這嚴(yán)重地限制了MRS技術(shù)在地質(zhì)科學(xué)中的應(yīng)用。
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