科技改變生活 · 科技引領未來
科技改變生活 · 科技引領未來
如今，當我們走進醫院，一定能感受到核醫學技術無所不在：X射線成像、CT成像、磁共振成像、各種放射治療技術等為我們的健康保駕護航，也極大地促進了現代醫學的發展。我們通常聽到的“拍核磁”，其實就是磁共振成像（MRI），又叫核磁共振成像。自193
如今，當我們走進醫院，一定能感受到核醫學技術無所不在：X射線成像、CT成像、磁共振成像、各種放射治療技術等為我們的健康保駕護航，也極大地促進了現代醫學的發展。
我們通常聽到的“拍核磁”，其實就是磁共振成像（MRI），又叫核磁共振成像。自1937年，拉比（Isador Isaac Rabi）發現核磁共振的現象開始，磁共振技術在隨后的幾十年中迎來了飛速發展，如今已成為臨床檢查和診斷中必不可少的設備。在整個磁共振技術的發展中，一共有6次諾貝爾獎誕生。
圖1 Isador Isaac Rabi(1898-1988)因發現核磁共振現象獲得了1944年的諾貝爾獎。圖源| researchgate
圖2 核磁共振成像技術的發展 圖| 俞博毅
拍核磁，究竟拍的是什么？磁共振設備是如何得到我們身體內組織結構的影像的呢？我們可以從“核”、“磁”、“共振”、“成像”這幾個部分去理解。
01
核磁共振成像的“核”
我們知道人體是由原子構成的，而原子中包含了原子核和核外電子。核磁共振的“核”其實就是原子核。原子核的類型有很多種，每一種原子核都可以進行核磁共振成像嗎？當然不是，只有磁性原子核才可以進行核磁共振成像。
原子核的磁性來源于原子核的磁矩，而原子核的磁矩又源于原子核有自旋角動量。我們可將原子核視為一個球體，所有的磁性原子核都具有一個特征，那就是繞著自己的軸高速旋轉，我們把原子核的這一特性稱之為自旋（Spin）。
簡單來講，原子核內的質子和中子的數目決定了原子核是否為磁性原子核。若原子核內的質子數和中子數均為偶數，則這樣的核不能自旋產生核磁，是非磁性核，反之則為磁性原子核。
由于原子核表面帶正電，磁性原子核自旋就會產生環電流，從而產生具有一定大小和方向的磁化矢量。我們把這種由磁性原子核自旋產生的磁場稱為核磁。
圖3 我們可以把原子核想象成一個球體。原子核表面的正電荷高速旋轉產生環電流，環電流進而會產生一定大小和方向的磁化矢量。 圖|李佳昕
即便如此，我們的身體中仍然有較多的磁性原子核，選擇什么樣的磁性原子核來進行我們人體的磁共振成像呢？
如上表所示，氫原子核在人體內含量最高，而且磁化率也是最高的，所以我們一般用氫原子核進行磁共振成像。因此，拍核磁，拍的就是“氫原子核”，也可以被稱為“質子”（因為氫原子核里沒有中子，只有一個質子）。
人體內的氫原子核主要來自于三類化合物——水、脂肪、蛋白質，但是蛋白質內的氫原子核一般沒有MRI信號，所以人體中的MRI信號主要來自于水，部分組織中的信號也來自于脂肪。
02
核磁共振成像的“磁”
既然我們身體中的氫原子核都具有核磁，我們每個人身體里數以億萬計的氫原子核都會產生磁場，我們為什么沒有成為萬磁王？
圖4 萬磁王是漫威漫畫公司旗下的超級反派，他可以控制任何形式的磁場。圖源| 百度百科
這是因為我們身體中的氫原子核具有無序性，各個方向的磁化矢量相互抵消，所以宏觀上我們是不具有磁性的。
那么，如何觀測身體內的磁共振信號呢？
每一個氫原子核產生的磁場類似于一個小磁針，會在磁場中受到力的作用而偏轉。如果我們外加一個主磁場，由于磁場中力的作用，氫原子核產生的磁化矢量就會與主磁場方向平行同向或者平行反向。
與主磁場平行同向的質子，不需要對抗主磁場的作用而處于低能級；與主磁場平行反向的質子，需要對抗主磁場的作用而處于高能級。低能級的質子略多于高能級的質子，整體在宏觀上表現為與主磁場同向的磁化矢量。
圖5 A,體內質子在無磁場的作用下，每個質子的磁化矢量都處于不同方向; B,當人體處于外磁場中，在外磁場作用下，體內質子的磁化矢量就會朝向兩個方向。圖| 俞博毅
這就像是在操場軍訓的學生，中場休息時，大家原本在隨意活動。但是,當聽到教官的口令“面向陽光和背向陽光，站成兩排”時，同學們就會馬上站成兩排。由于難以忍受刺眼的陽光，更多的同學本能地會站在背向陽光的那排。
需要注意的是，在磁場中的氫原子核，并不是完全與主磁場方向平行，而是存在一定的角度。因此氫原子核在主磁場中除了自旋外，還會繞著主磁場方向的軸進行轉動，其運動的方式就像地上傾斜的陀螺一樣。我們把這種運動叫做拉莫爾進動（Larmor procession）。
圖6 自旋的質子在磁場中像陀螺一樣進動。圖|李佳昕
拉莫爾進動的頻率ω可以用以下的公式描述：
其中γ是原子核的磁旋比，一般是一個常數；B為主磁場強度。氫原子核的磁旋比為42.5MHz/T。
03
核磁共振成像的“共振”
提到共振，大家很容易能想到初中學過的聲音的共振。聲音共振的條件是聲波與音叉的振動頻率一致，類似的，核磁共振的條件是外加的射頻脈沖與質子的拉莫爾進動頻率一致。
前面講到，在磁場的作用下，宏觀上體內質子產生與主磁場相同的磁化矢量（Mz），微觀上其實是處于不同能級的質子數量不同，而這種能級的分裂只有磁場存在時才會產生。
就像給背向陽光的同學一頂遮陽帽，讓他也站到面向陽光的那一排去，當我們施加一個與質子進動頻率一致的射頻脈沖，則低能級的質子會發生共振、吸收射頻能量而躍遷到高能級，此時高能級質子數量逐漸增多。
當高能級質子與低能級質子數量一致時，磁化矢量相互抵消，則質子在宏觀上表現為主磁場方向的磁化矢量為0（如圖7左側下所示）。
但與此同時，由于射頻的聚相位效應，會把XY方向的磁化矢量聚集到一起產生XY平面的宏觀磁化矢量，繞磁場轉動。這個聚相位作用，就像我們的五個手指本來是張開的，五個手指處于各個方向，如果每個手指代表一個力，則合力為零；當我們將手指合攏，則合力方向就是五個手指聚攏的方向。（如圖7右側下所示）
圖7 在磁場作用下，氫原子核能級分裂，并在射頻脈沖作用下發生核磁共振，產生能級躍遷。圖| 俞博毅
04
核磁共振成像的“成像”
當我們撤去射頻脈沖，則高能級的質子又會逐漸回到低能級。宏觀上就表現為縱向磁化矢量的逐漸恢復（縱向弛豫，圖8）和橫向磁化矢量的逐漸衰減（橫向弛豫，圖9）。
圖8 縱向磁化矢量逐漸恢復 圖| 李佳昕
圖9 橫向磁化矢量逐漸衰減 圖| 李佳昕
由于人體內組織含氫原子核的數量不同，氫原子核所處的化學環境不同，所以縱向和橫向弛豫的過程不一樣，相應的，磁化矢量恢復的時間也就不同。
因此，通過設置MRI序列，我們就可以采集到組織的信號。不同組織的MRI信號強度不同，我們就能得到體內組織的對比圖像。
我們是如何采集磁共振信號的呢？其實非常簡單，高中物理課告訴我們“磁感線切割線圈會產生電流”，因此，用旋轉的XY方向的磁化矢量去切割線圈就能得到磁共振產生的電信號，進而運用數學方法對電信號進行轉換，就能獲得磁共振圖像了。
作者| 俞博毅 李佳昕
指導老師| 陳衛強
編輯| 劉芳
參考文獻：
[1] 俎棟林，高家紅. 核磁共振成像—-物理原理和方法. 北京：北京大學出版社, 2014. 9.
[2] 楊正漢，馮逢，王霄英. 磁共振成像技術指南——檢查規范，臨床策略及新技術應用. 北京：人民軍醫出版社, 2010.
[3] Breneman, B. History, Physics, and Design of Superconducting Magnets for MRI. Emagres 8, 137-156.
[4] Collins, J. The history of MRI. Semin. Roentgenology 43, 259-260.
轉載內容僅代表作者觀點
不代表中科院物理所立場
如需轉載請聯系原公眾號
來源：中科院近代物理所
編輯：云開葉落
丁熙