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1、浅谈核磁共振技术的基本原理与医学应用 摘 要本文分析了医用物理技术之一核磁共振技术。主要包括核磁共振的基本原理,核磁共振成像设备,以及核磁共振成像技术在医学上的应用。 关键词核磁共振 医用物理 医学应用 教学探讨 中图分类号P631文献标识码A文章编号1017-9416(2022)11-0069-02 科学探讨表明,一些具有奇数质子的原子核均具有磁矩。在人体内广泛存在的氢核为一个质子,它带正电且自旋,因而具有磁矩。在通常状况下,氢核的自旋轴取向是杂乱无章的。假如把它们放在匀称的强磁场中,这些氢核(可看作一个个小磁体)的自旋轴将按磁感线方向重新排列取向。这时,若再加以特定频率的射频脉冲磁场进行激
2、发,这些具有磁矩的氢核则会汲取肯定量的磁场能量而发生共振,这种现象称为核磁共振(NMR)。利用原子核在磁场内发生核磁共振时所产生的信号,由计算机系统进行编码处理,实现重建图像,这种技术称为核磁共振成像(MRI)。 1946年,美国科学家珀赛尔和布洛赫同时独立地发觉了核磁共振现象。因此,他们两人共同荣获了1952年诺贝尔物理学奖。从20世纪73年头起,在核磁共振频谱学和计算机断层技术的基础上,对核磁共振现象的探讨已发展成为一项崭新的医学影像诊断技术,即所谓的核磁共振成像技术。 1 核磁共振的基本原理 原子核的自旋运动类似一个“小陀螺”,不停地以肯定的频率自旋。若把一个物体放置在射频磁场中,其中的
3、原子核便在射频磁场中旋转。在磁场中旋转的原子核有这样一个特点,它可以汲取频率与其自旋频率相同的电磁波,从而使原子核的能量增加。取消磁场作用后,原子核则要复原到原先的状态。在原子核复原过程中,就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。用适当的电磁波激发原子核,然后分析它释放的电磁波,就可以得知构成这一物体的原子核的种类和位置。据此,即可绘制出物体内部的立体图像。 水约占人体体重的2/3,在人体的不同组织和器官中,水的比例并不完全相同。某些疾病的发生及病理改变都会导致相应组织和器官中水的比例发生改变,这种改变能在核磁共振图像中反映出来。因此,氢核是目前核磁共振成像技术中的首选元素。 1.1 原子核的
4、自旋和磁矩 科学探讨表明,当原子核内的质子和中子均为偶数时,这种核自旋从总的效果看是彼此抵消的。当质子数为奇数时,原子核内质子的自旋则有不能抵消的部分,称为净自旋。由于原子核中的质子带有正电荷,质子的自旋相当于在自旋轴四周有一环形电流,能产生磁场,从而具有磁矩。由于氢核带有一个正电荷且具有自旋,从而每个氢核都有磁场,具有各自的磁矩。如图1所示,一个自旋的氢核,其动特性似乎一个陀螺,其静特性则像一个微小的磁条。 由于人体氢核系统中各质子磁矩的取向是随机的,所以从宏观上看整个氢核系统并不表现出磁性(见图1)。 1.2 静磁场中的原子核 如图2所示,我们细致视察一个正在旋转着的陀螺,就会发觉它一方面
5、在绕自旋轴旋转,另一方面又因受重力作用,其自旋轴将有所倾斜并绕铅垂线旋转。这种在自旋的同时,其自旋轴又倾斜地围着另一轴线旋转的运动,称为进动。(见图2) 如图3所示,处于匀强磁场B0中的氢核,除自旋外,也将以B0的方向为轴作进动,其自旋与进动的情形与陀螺很相像。氢核在匀强磁场B0中进动的频率为,与B0的大小成正比,两者的关系为(见图3) 式中叫做氢核的磁旋比,B0为矢量B0的大小。由上式可得原子核进动的圆频率,这又称为拉莫尔频率。 在静磁场B0中,氢核系统中氢核的自旋具有两种状态:一种是顺着B0方向(与B0的夹角大于0且小于),即在B0方向的投影为正;另一种是逆着B0方向(与B。的夹角大于且小
6、于),即在B。方向的投影为负。这两种自旋状态的能量不同。前一状态,氢核的能量较低;后一状态,氢核的能量较高。在静磁场B0作用下,当整个氢核系统达到热平衡状态时,处于低能状态的氢核在数目上多于处于高能状态的氢核,于是氢核系统具有一个宏观的磁矢量M0。其大小为M0,方向沿B0的方向。M0等于单位体积内氢核磁矩的矢量和,M0是人体内氢核系统的磁属性,而则是单个氢核的磁属性。 若建立一个空间直角坐标系,并取Z轴沿着B0方向,XY平面与B0垂直。很明显,在B0作用下,氢核系统的磁矢量M0在B0方向的投影为正,即M0的纵向重量MZ=M0;而M0的横向重量(垂直于B0方向的重量)Mxy=0。 1.3 射频磁
7、场对氢核的作用 由常识可知,陀螺在自旋过程中,一起先自旋轴沿着铅垂线,由于受重力作用,其自旋轴会渐渐地偏离铅垂线而进动。在进动过程中其倾斜角会渐渐增大,最终倒地静止。 对于处在静磁场B0中作进动的氢核,若在XY平面上(即垂直于B0方向上)施加一个射频磁场B1,当B1的频率恰好等于氢核进动的频率时,氢核系统将以共振方式汲取射频磁场的能量,即发生核磁共振现象。 核磁共振的结果,将导致氢核系统的磁矢量M0发生改变。这时的氢核犹如陀螺在重力作用下的进动那样,M0的方向将渐渐地偏离Z轴,而转向XY平面上,且以频率在XY平面内旋进,而且各氢核进动的相位也会渐渐地高度统一到射频磁场的相位上来。这样,氢核系统
8、将具有横向磁化强度矢量MXY。 详细地说,发生核磁共振现时,氢核系统的磁矢量M的改变同时表现在如下两个方面:一是射频磁场激励核自旋的方向反转,使顺B0的(低能态的)氢核数目削减,使MZ从M0渐渐减小到0;二是射频磁场迫使氢核进动的相位渐渐地趋于一样(在XY平面内),使MXY由0渐渐增大到,这时氢核系统处于一种非平衡状态。 1.4 驰豫过程和驰豫时间 当射频脉冲磁场撤除后,氢核系统将渐渐地由非平衡状态复原到平衡状态,这一复原过程称作驰豫过程。在驰豫过程中,氢核将所汲取的射频磁场的能量释放出来,并复原到共振前的状态。驰豫过程中有两个重要的时间常数T1和T2,称作驰豫时间。其中T1称作纵向驰豫时间,
9、是描述自旋核与晶格相互作用时,氢核系统复原到平衡状态快慢的物理量。T2称作横向驰豫时间,是描述自旋核与自旋核之间相互作用时,氢核系统复原到平衡状态快慢的物理量。 当射频磁场消逝后,被激发的氢核在驰豫过程中,要辐射出所汲取的能量,辐射的能量被核磁共振成像设备中的接收线圈感应接收。所检测到的核磁共振信号与人体组织中共振的氢核密度、氢核磁矩间的相互作用及四周环境有关。经过电子计算机分析处理,可得到驰豫时间分布图像,以及因人体组织质子密度不同而得到磁矩密度的分布图像,从中可获得人体内组织结构及功能状况的信息。 2 核磁共振成像设备 核磁共振成像设备是一种多学科综合的高新技术系统。主要由静磁场和梯度磁场
10、系统,射频磁场放射、接收系统,计算机限制操作系统与显示系统等组成。在核磁共振成像系统中,静磁场由强大的主磁体产生,射频磁场B1由射频线圈发送。除了匀称磁场B。外,还要在B。方向上再叠加一个线性改变的梯度磁场,使得被检测组织的不同薄层处在强度不同的静磁场中,以获得不同组织薄层的核磁共振图像。 由公式可知,只有当射频磁场频率等于原子核的进动频率时,原子核系统才会显著地汲取射频磁场的能量,而发生核磁共振。当射频线圈发送某一频率的脉冲后,只有与该频率发生共振的那一薄层的氢核才能显示出核磁共振图像。变更射频磁场的频率可获另一薄层的图像。叠加梯度磁场的目的,就是在被检测组织的不同几何位置施加不同的静磁场,
11、因而使得不同的组织薄层具有不同的共振频率,这样不同薄层中的个体单元就具备了可以被分别检测的条件。 要产生核磁共振现象,常用如下两种方法: 一是连续波扫频法:保持静磁场B。不变,而连续变更射频磁场的频率,当时,即发生核磁共振现象。 二是扫场法:保持射频磁场的频率不变,而连续变更静磁场的B。值,当时,将发生核磁共振现象。 核磁共振成像技术诊断疾病的依据来自人体内氢核发出的核磁共振信号。该信号的强弱不仅取决于氢核密度,还取决于氢核在分子结构中的位置以及四周组织的状态。因此,它可以反映人体的生化病理信息。这样就克服了以解剖学为基础的传统诊断的局限性,把医学诊断提高到分子水平。 3 核磁共振成像技术在医
12、学上的应用 由于氢核系统辐射能量的强度与氢核密度成正比。因此,在核磁共振图像中,能通过质子密度的差别把各种组织区分开来。和的不同表现在,一是人体的不同组织,驰豫时间和均不相同;二是病变组织与正常组织的和存在明显差别。因此,通过对和的测量,可以推断病变及其发展状况。这样,人体的病变组织可从核磁共振图像中予以检测,从而供应病理诊断信息。 作颅脑检查时,人体大脑灰、白质的密度相近,用X-CT也很难辨别,在核磁共振图像中,灰质和白质的值相差1.5倍,因而图像可用白、灰、黑三级来表示。其中脂肪、骨髓、白质为白级,肌肉、灰质为灰级,而骨、骨皮质为黑级。另外,的长短还能反映脑部的多种疾病,利用三维图像还可以
13、给病变定位。 心血管系统检查时,由于液体流淌的信号不能获得,呈无信号与四周信号形成对比,称为“流空”效应。如血管、脑脊液的流空,这对心血管核磁共振成像有重要意义。对胸部检查时,肺脏因含有大量气体,质子密度低呈黑色,心肌呈白色,心脏因“流空”效应而发黑。因此,可以清楚地看到心肌、房室间隔、心腔及主要血管。若应专心脏门腔核磁共振技术可分别摄取心脏收缩和舒张末期的图像,不仅能视察心脏系统的血液动力学改变,还能供应心肌机能等有关信息。 目前,核磁共振成像主要用氢核密度及其和成像。对于人体来说,探究磷(P)原子核的成像在医学上具有重要意义。因为磷是高能分子三磷酸腺苷和磷肌酸的主要成分,而这两种分子能调整组织细胞的能量转移。因此,通过对磷的高辨别谱测量,可用作推断组织及内脏器官的代谢状况。 由上可知,核磁共振成像技术的优越性,将使得这一影像诊断高新技术越来越显示出其强大的生命力。 注:本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文 第8页 共8页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页第 8 页 共 8 页