核磁共振是怎么回事？

磁共振成像

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人脑纵切面磁共振成像* * *磁共振成像(Magnetic resonance imaging，简称NMRI)，又称自旋成像，也称磁共振成像和磁共振成像(Magnetic Resonance Imaging，简称MRI)，是基于核磁共振(NMR)的原理，根据物质内部不同的结构环境对释放能量的衰减不同，通过施加梯度磁场，可以探测到发射的电磁波从而可以知道构成这个物体的细胞核的位置和类型，并据此绘制出物体内部的结构图像。

利用这项技术对人体内部结构进行成像，将产生一种革命性的医疗诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用大大加快了磁共振成像的速度，使这项技术在临床诊断和科学研究中的应用成为现实，极大地促进了医学、神经生理学和认知神经科学的快速发展。

从核磁共振现象发现到核磁共振技术成熟的几十年间，核磁共振的研究领域在三个领域(物理、化学、生理或医学)获得了六次诺贝尔奖，足以说明该领域及其衍生技术的重要性。

目录[隐藏]

1的物理原理

1.1原理概述

1.2数学运算

2系统组成

2.1核磁共振实验装置

2.2磁共振成像系统的组成

1磁铁系统

射频系统

2.2.3计算机图像重建系统

2.3磁共振成像的基本方法

3技术应用

3.1磁共振成像在医学中的应用

3.1.1原理概述

3.1.2磁振动成像的优点

3.1.3 MRI的缺点和可能的危害

3.2 MRI在化学领域的应用

3.3磁振动成像的其他进展

4位诺贝尔奖获得者的贡献

5未来展望

6相关项目

6.1磁化准备

6.2图像拍摄方法

6.3医学生理应用

7参考文献

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物理原理

通过磁共振成像扫描人类大脑获得的连续切片的动画，从头顶开始到底部。[编辑]

原理概述

磁共振成像(MRI)是随着计算机技术、电子电路技术和超导技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。考虑到患者对“核”的恐惧，医生通常将这种技术称为磁共振成像。它利用磁场和射频脉冲使人体组织中进动的氢核(H+)章动产生射频信号，经计算机处理后成像。

原子核在进动时，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外界交变磁场的频率等于莫拉频率，原子核就会被振动吸收。去掉射频脉冲后，核磁矩会将吸收的部分能量以电磁波的形式发射出去，称为* * *振动发射。* * *振动吸收和发射的过程称为“核磁* * *振动”。

核磁共振成像的“核”指的是氢核，因为人体的70%左右是由水组成的，核磁共振成像依靠的是水中的氢原子。将物体置于磁场中，用适当的电磁波照射使其振动，然后对其释放的电磁波进行分析，就可以知道构成这个物体的原子核的位置和类型，并据此绘制出物体内部的精确三维图像。

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数学操作

原子核带正电荷，有自旋运动，其自旋运动必然会产生磁矩，称为核磁矩。研究表明，原子核的磁矩μ与原子核的自旋角动量S成正比，即

其中γ是比例系数，称为原子核的旋磁比。在外磁场中，核自旋角动量的空间取向是量子化的，它在外磁场方向上的投影值可以表示为

m是核自旋量子数。根据核磁矩与自旋角动量的关系，核磁矩在外磁场中的取向也被量子化，其在磁场方向的投影值为

对于不同的核，m分别是整数或半整数。在外磁场中，具有磁矩的原子核具有相应的能量，其值可表示为

其中b是磁感应强度。可以看出，原子核在外磁场中的能量也是量子化的。由于磁矩和磁场的相互作用，自旋能量被分裂成一系列离散的能级，相邻两个能级之差为δδE =γhB。用适当频率的电磁辐射照射原子核。如果电磁辐射的光子能量hν正好是相邻两个核能级之差δE，原子核就会吸收这个光子，核磁共振的频率条件如下:

其中，ν为频率，ω为角频率。对于某个原子核，旋磁比γ可以精确地确定。可以看出，可以通过测量核磁共振期间辐射场的频率ν来确定磁感应强度。另一方面，如果已知磁感应强度，就可以确定原子核的* * *振动频率。

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系统组成

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核磁共振实验装置

采用调节频率的方法实现核磁共振。线圈向样品发射电磁波，调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在样品的振动频率附近连续变化。当频率与核磁共振频率重合时，射频振荡器的输出会有一个吸收峰，可以在示波器上显示出来，同时频率计会立即读出* * *振动的频率值。核磁共振谱仪是专门用来观测核磁共振的仪器，主要由磁体、探头和谱仪三部分组成。磁铁的功能是产生恒定的磁场；探头置于磁极之间，检测核磁振动信号；光谱仪是用来放大、显示和记录* *振动信号的。

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磁共振成像系统的组成

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磁体系统

静磁场:目前临床使用的超导磁体磁场强度为0.5到4.0T，常见的有1.5T和3.0t，另外匀场线圈有助于实现高均匀性。

梯度场:用于产生和控制磁场中的梯度，实现核磁共振信号的空间编码。该系统有三组线圈，在X、Y和Z方向产生梯度场。线圈组的磁场被叠加以获得任何方向的梯度场。

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射频系统

射频(RF)发生器:它产生一个短而强的RF场，以脉冲方式作用于样品，使样品中的氢核产生NMR现象。

射频(RF)接收器:接收核磁共振信号，放大后进入图像处理系统。

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计算机图像重建系统

射频接收器发出的信号经A/D转换器转换成数学信号，根据与观察层各体素的对应关系，经计算机处理得到切片图像数据，再经D/A转换器加入到图像显示中，待观察层的图像根据核磁共振的大小用不同的灰度显示。

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磁共振成像的基本方法

薄膜选择梯度场Gz

相位编码和频率编码

图像重建

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技术应用

3D核磁共振成像[编辑]

磁共振成像在医学中的应用

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原理概述

人体成像首选氢核:人体的各种组织含有大量的水和碳氢化合物，所以氢核的核磁共振灵活性高，信号强，这也是人们选择氢核作为人体成像元素首选的原因。NMR信号的强度与样品中氢核的密度有关。当人体内各种组织的含水量比例不同时，即氢核数目不同时，核磁共振信号的强度也不一样。利用这种差异作为特征量，分离出各种组织，这就是氢原子核密度的核磁共振图像。人体不同组织之间以及该组织中正常组织与病变组织之间的氢核密度、弛豫时间T1和T2的差异，是MRI在临床诊断中最重要的物理基础。

当施加射频脉冲信号时，氢核能的状态发生变化。射频之后，氢核能回到初始状态，发射* * *振动产生的电磁波。核振动的微小差异可以被精确地探测出来，经过进一步的计算机处理，就有可能获得反应组织化学结构的三维图像，从中我们可以获得包括组织中水的差异和水分子的运动等信息。通过这种方式，可以记录病理变化

人体重量的三分之二是水，如此高的比例是磁共振成像技术能够广泛应用于医学诊断的基础。人体内器官和组织的水是不一样的，很多疾病的病理过程都会导致水形态的改变，这可以通过磁振图像反映出来。

核磁共振获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了开胸或剖腹手术。因为核磁共振不使用对人体有害的X射线和容易引起过敏反应的造影剂，所以对人体无害。MRI可以对人体各个部位进行多角度、多平面的成像，分辨率高，可以更客观、具体地显示人体内的解剖组织和毗邻关系，可以更好地对病变进行定位和定性。对于全身性疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断具有重要价值。

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磁共振成像的优势

与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机断层扫描(CT)相比，磁共振成像最大的优势在于它是目前少有的对人体无伤害的安全、快速、准确的临床诊断手段。如今，全球每年至少有6000万个病例通过磁共振成像技术进行检查。具体来说，有以下几点:

对人体无辐射伤害；

多种参数可用于成像，多种成像参数可提供丰富的诊断信息，使医学诊断和研究人体内的代谢和功能变得方便有效。比如肝炎、肝硬化的T1值更大，肝癌的T1值更大。利用T1加权图像可以区分肝脏良恶性肿瘤。

通过调节磁场可以自由选择所需的轮廓。可以获得其他成像技术无法接近或难以接近的部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可以做矢状、冠状和横断面图像，可以看到神经根、脊髓和神经节。它可以获得大脑和脊髓的三维图像，不像CT(只能获得垂直于人体长轴的横断面视图)可能会遗漏病变；

可以诊断心脏疾病，CT扫描速度慢，无法胜任；

对软组织具有出色的分辨率。膀胱、直肠、子宫、阴道、骨骼、关节、肌肉等部位的检查优于CT；

原则上所有自旋非零的核元素都可以用来成像，比如氢(1H)、碳(13C)、氮(14N和15N)、磷(31P)等等。

人体腹部冠状切面磁共振成像[编辑]

磁共振成像的缺点和可能的危害

虽然核磁共振对患者没有致命的伤害，但还是会给患者带来一些不适。在MRI诊断前应采取必要的措施以减少这种负面影响。其缺点主要包括:

和CT一样，MRI也是一种解剖影像诊断。许多病变仍然难以单独通过磁共振成像进行诊断，而不像内窥镜检查那样可以同时获得影像和病理诊断。

肺部的检查并不优于x光或CT，肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查也不优于CT，但费用要高很多。

胃肠道的病变不如内镜；

扫描时间长，空间分辨率不理想；

由于磁场很强，磁共振不适合体内有磁性金属或起搏器等特殊患者。

MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下几个方面:

强静磁场:在铁磁性物质存在的情况下，无论是植入患者体内还是磁场内，都可能是危险因素；

时变梯度场:能在受试者体内感应出电场，使神经或肌肉兴奋。周围神经兴奋是梯度场安全的上限指标。在足够的强度下，可产生外周神经兴奋(如刺痛或叩击)，甚至引起心脏兴奋或心室颤动；

射频场的热效应:MRI聚焦或测量过程中使用的大角度射频场发射，其电磁能量在患者组织内转化为热能，使组织温度升高。射频的热效应需要进一步讨论。临床扫描仪对射频能量有所谓的“特定吸收率”(SAR)限制。

噪音:核磁共振操作过程中产生的各种噪音可能会损害部分患者的听力；

造影剂的毒副作用:目前使用的造影剂主要是含钆化合物，副作用发生率为2%-4%。

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磁共振成像在化学领域的应用

MRI在化学领域的应用不如在医学领域广泛，主要是技术难度和成像材料的困难。目前主要应用在以下几个方面:

在高分子化学领域，如碳纤维增强环氧树脂的研究、固相反应空间取向的研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化和弹性体均匀性的研究等。

在金属陶瓷中，研究多孔结构来检测陶瓷制品中的砂眼；

在火箭燃料中，用于检测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布；

在石油化学方面，主要侧重于岩石中流体分布和流动性的研究，以及油藏描述和提高采收率机理的研究。

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磁共振成像的其他进展

核磁共振分析技术是通过测量核磁共振线的特征参数(如线宽、线轮廓形状、线面积、线位置等)来分析物质的分子结构和性质。).它不会破坏被测样品的内部结构，是一种完全无损的检测方法。同时具有非常高的分辨率和精度，可用于测量的岩心非常多，都优于其他测量方法。因此，核磁共振技术已经广泛应用于物理、化学、医疗、石油化工、考古等领域。

磁共振显微镜(MRM/μ MRI)是MRI技术中发展稍晚的技术。MRM的最高空间分辨率为4μm，接近一般光学显微镜图像的水平。MRM已广泛应用于疾病和药物的动物模型研究。

活体磁共振波谱(Mrs)可以测量动物或人体指定部位的核磁共振波谱，从而直接鉴定和分析其化学成分。

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诺贝尔奖获得者的贡献

2003年6月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，将2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家保罗·劳特布尔和英国物理学家彼得·曼斯菲尔德，以表彰他们在医学诊断和研究中使用的核磁共振成像技术领域取得的突破性成就。

劳特布尔的贡献在于，在主磁场中加入了一个不均匀的磁场，并在磁场中引入了梯度，从而创造了一个用其他技术手段看不到的物质内部结构的可视二维结构图像。他描述了如何在主磁体上加一个梯度磁体，然后你可以看到一个装满普通水的试管浸入重水的横截面。没有其他图像技术可以区分普通水和重水的图像。通过引入梯度磁场，可以逐点改变核磁共振的电磁波频率，通过分析发射的电磁波来确定信号源。

曼斯菲尔德进一步发展了在稳定磁场中使用附加梯度磁场的理论，促进了其实际应用。他发现了磁振动信号的数学分析方法，为该方法从理论走向应用奠定了基础。这使得磁共振成像在10年后成为临床诊断的实用方法。他利用磁场的梯度来更准确地显示振动的差异。他证明了如何有效快速地分析检测到的信号，并将其转换为图像。Mansfield还提出了极其快速的梯度变化可以获得瞬时图像，即回波平面成像(EPI)技术，这成为20世纪90年代开始蓬勃发展的功能磁共振成像(FMRI)研究的主要手段。

雷蒙德·达马蒂的《癌症组织检测的设备和方法》值得一提。2003年诺贝尔物理学奖获得者在超导体和超流体理论方面做出的开创性贡献，为这两位获得2003年诺贝尔生理学或医学奖的科学家开发MRI扫描仪提供了理论基础，为MRI技术铺平了道路。由于他们的理论工作，磁共振成像技术取得了突破，使人体内部器官的高清图像成为可能。

此外，在2003年6月10日的《纽约时报》和《华盛顿邮报》上，同时出现了福纳尔的一个整版广告:“雷蒙德·达马迪安应该与彼得·曼斯菲尔德和保罗·劳特布尔分享2003年诺贝尔生理学或医学奖。没有他，就没有磁共振成像技术。”指责诺贝尔委员会“篡改历史”引发广泛争议。其实核磁共振的发明权归属问题已经争论了很多年，争议相当激烈。在学术界，达马蒂·安与其说是科学家，不如说是商人。

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未来前景

人脑是如何思考的，一直是个谜。并且是科学家关注的重要课题。使用MRI进行脑功能成像有助于我们在活体和整体水平上研究人类思维。其中关于盲童的手能否代替眼睛的研究就是一个很好的样本。正常人可以看到蓝天碧水，然后在大脑中形成意象，形成意境，而没见过世面的盲童可以用手触摸文字，文字告诉他这个世界。盲童能“看”出来吗？专家通过功能磁共振扫描正常和盲童的大脑，发现盲童和正常人一样，大脑的视觉皮层会有一个很好的激活区。由此可以得出一个初步的结论:通过认知教育，盲童可以用手而不是眼睛“看”到外界。

快速扫描技术的研究和应用将把经典MRI成像方法扫描病人的时间从几分钟缩短到几毫秒，从而忽略器官运动对图像的影响。MRI血流成像通过利用空隙效应在MRI图像上清楚地显示血管的形状，使得测量血管中血液的流动方向和速度成为可能。MRI频谱分析可以利用强磁场实现人体局部组织的频谱分析技术，从而增加信息帮助诊断；脑功能成像，利用强磁场振动成像研究脑功能及其机制，是脑科学中最重要的课题。有理由相信核磁共振将发展成为读心术。

20世纪中叶以来，信息技术和生命科学是最活跃的两个领域。专家认为，核磁共振技术作为两者的结合，将继续向显微和功能检查发展，在揭示生命奥秘方面发挥更大的作用。

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