核磁共振是什么?

【專家解說(shuō)】：　　核磁共振(MRI) 　　核磁共振是磁矩不為零的原子核，在外磁場(chǎng)作用下自旋能級(jí)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(guò)程。核磁共振波譜學(xué)是光譜學(xué)的一個(gè)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(jí)上的躍遷。 　　核磁共振是處于靜磁場(chǎng)中的原子核在另一交變磁場(chǎng)作用下發(fā)生的物理現(xiàn)象。通常人們所說(shuō)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?yàn)榫哂泻俗孕Ｔ雍俗孕a(chǎn)生磁矩，當(dāng)核磁矩處于靜止外磁場(chǎng)中時(shí)產(chǎn)生進(jìn)動(dòng)核和能級(jí)分裂。在交變磁場(chǎng)作用下，自旋核會(huì)吸收特定頻率的電磁波，從較低的能級(jí)躍遷到較高能級(jí)。這種過(guò)程就是核磁共振。 　　核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技術(shù)。是繼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(lái)，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(chǎng)中，用無(wú)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(hào)，并將吸收的能量釋放出來(lái)，被體外的接受器收錄，經(jīng)電子計(jì)算機(jī)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(cè)。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)(MR)。 　　MR是一種生物磁自旋成像技術(shù)，它是利用原子核自旋運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn)，在外加磁場(chǎng)內(nèi)，經(jīng)射頻脈沖激后產(chǎn)生信號(hào)，用探測(cè)器檢測(cè)并輸入計(jì)算機(jī)，經(jīng)過(guò)處理轉(zhuǎn)換在屏幕上顯示圖像。 　　MR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(duì)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(huì)產(chǎn)生CT檢測(cè)中的偽影；不需注射造影劑；無(wú)電離輻射，對(duì)機(jī)體沒(méi)有不良影響。MR對(duì)檢測(cè)腦內(nèi)血腫、腦外血腫、腦腫瘤、顱內(nèi)動(dòng)脈瘤、動(dòng)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(jiàn)疾病非常有效，同時(shí)對(duì)腰椎椎間盤(pán)后突、原發(fā)性肝癌等疾病的診斷也很有效。 　　核磁共振的原理 　　核磁共振現(xiàn)象來(lái)源于原子核的自旋角動(dòng)量在外加磁場(chǎng)作用下的進(jìn)動(dòng)。 　　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(dòng)量，其自旋角動(dòng)量的具體數(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定，實(shí)驗(yàn)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(hào)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(shí)，會(huì)由自旋產(chǎn)生一個(gè)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(dòng)量成正比。將原子核置于外加磁場(chǎng)中，若原子核磁矩與外加磁場(chǎng)方向不同，則原子核磁矩會(huì)繞外磁場(chǎng)方向旋轉(zhuǎn)，這一現(xiàn)象類似陀螺在旋轉(zhuǎn)過(guò)程中轉(zhuǎn)動(dòng)軸的擺動(dòng)，稱為進(jìn)動(dòng)。進(jìn)動(dòng)具有能量也具有一定的頻率。 　　原子核進(jìn)動(dòng)的頻率由外加磁場(chǎng)的強(qiáng)度和原子核本身的性質(zhì)決定，也就是說(shuō)，對(duì)于某一特定原子，在一定強(qiáng)度的的外加磁場(chǎng)中，其原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率是固定不變的。 　　原子核發(fā)生進(jìn)動(dòng)的能量與磁場(chǎng)、原子核磁矩、以及磁矩與磁場(chǎng)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(chǎng)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(jí)。當(dāng)原子核在外加磁場(chǎng)中接受其他來(lái)源的能量輸入后，就會(huì)發(fā)生能級(jí)躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場(chǎng)的夾角會(huì)發(fā)生變化。這種能級(jí)躍遷是獲取核磁共振信號(hào)的基礎(chǔ)。 　　為了讓原子核自旋的進(jìn)動(dòng)發(fā)生能級(jí)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(guò)外加射頻場(chǎng)來(lái)提供的。根據(jù)物理學(xué)原理當(dāng)外加射頻場(chǎng)的頻率與原子核自旋進(jìn)動(dòng)的頻率相同的時(shí)候，射頻場(chǎng)的能量才能夠有效地被原子核吸收，為能級(jí)躍遷提供助力。因此某種特定的原子核，在給定的外加磁場(chǎng)中，只吸收某一特定頻率射頻場(chǎng)提供的能量，這樣就形成了一個(gè)核磁共振信號(hào). 　　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(cè)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(guò)識(shí)別水分子中氫原子信號(hào)的分布來(lái)推測(cè)水分子在人體內(nèi)的分布，進(jìn)而探測(cè)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(chǎng)的強(qiáng)度，而非射頻場(chǎng)的頻率。核磁共振成像儀在垂直于主磁場(chǎng)方向會(huì)提供兩個(gè)相互垂直的梯度磁場(chǎng)，這樣在人體內(nèi)磁場(chǎng)的分布就會(huì)隨著空間位置的變化而變化，每一個(gè)位置都會(huì)有一個(gè)強(qiáng)度不同、方向不同的磁場(chǎng)，這樣，位于人體不同部位的氫原子就會(huì)對(duì)不同的射頻場(chǎng)信號(hào)產(chǎn)生反應(yīng)，通過(guò)記錄這一反應(yīng)，并加以計(jì)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(cè)技術(shù)，相對(duì)于X-射線透視技術(shù)和放射造影技術(shù)，MRI對(duì)人體沒(méi)有輻射影響，相對(duì)于超聲探測(cè)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(duì)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(shí)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。 　　核磁共振的特點(diǎn) 　?、俟舱耦l率決定于核外電子結(jié)構(gòu)和核近鄰組態(tài)；②共振峰的強(qiáng)弱決定于該組態(tài)在合金中所占的比例；③譜線的分辨率極高。 　　磁共振成像的優(yōu)點(diǎn) 　　與1901年獲得諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)的普通X射線或1979年獲得諾貝爾醫(yī)學(xué)獎(jiǎng)的計(jì)算機(jī)層析成像（computerized tomography, CT）相比，磁共振成像的最大優(yōu)點(diǎn)是它是目前少有的對(duì)人體沒(méi)有任何傷害的安全、快速、準(zhǔn)確的臨床診斷方法。如今全球每年至少有6000萬(wàn)病例利用核磁共振成像技術(shù)進(jìn)行檢查。具體說(shuō)來(lái)有以下幾點(diǎn)： 　　對(duì)人體沒(méi)有游離輻射損傷； 　　各種參數(shù)都可以用來(lái)成像，多個(gè)成像參數(shù)能提供豐富的診斷信息，這使得醫(yī)療診斷和對(duì)人體內(nèi)代謝和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值變大，而肝癌的T1值更大，作T1加權(quán)圖像，可區(qū)別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤； 　　通過(guò)調(diào)節(jié)磁場(chǎng)可自由選擇所需剖面。能得到其它成像技術(shù)所不能接近或難以接近部位的圖像。對(duì)于椎間盤(pán)和脊髓，可作矢狀面、冠狀面、橫斷面成像，可以看到神經(jīng)根、脊髓和神經(jīng)節(jié)等。能獲得腦和脊髓的立體圖像，不像CT（只能獲取與人體長(zhǎng)軸垂直的剖面圖）那樣一層一層地掃描而有可能漏掉病變部位； 　　能診斷心臟病變，CT因掃描速度慢而難以勝任； 　　對(duì)軟組織有極好的分辨力。對(duì)膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關(guān)節(jié)、肌肉等部位的檢查優(yōu)于CT； 　　原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像，例如氫（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。