核磁共振原理及相关疑问—引用郑建军医生和诺丁汉大学PaulGlover博士

说说核磁共振以解决人们关于核磁共振是怎么回事?核磁共振成像是什么意思?核磁共振图像如何解读?核磁共振成像什么都能查吗?核磁共振成像医学检查安全吗?核磁共振成像的两个比较有特色的优点等疑问,还介绍核磁共振中的自旋何磁矩的概念。本文引用了郑建军医生和诺丁汉大学的PaulGlover博士的部分讲述。

核磁共振(全称NMR,其中N是原子核,M代表的是“磁”,R代表共振得意思)原子核带正电荷,有一个叫做“自旋”的物理量,不同的原子核可以取不同的几个自旋的值,有的原子核自旋是0,有的是1,有的是2、3等,有的是1/2、3/2等。

原子核的自旋值与原子核内的质子数有关。质量数为偶数且质子数为偶数的原子核,比如He(4)等,自旋为0;质量数为偶数,质子数为奇数的原子核比如氢H(2),自旋数为1,2,3等整数;质量数为奇数的原子核,比如H(1)、C(13)等,起自旋数为1/2;3/2等。我们人体质量60%~70%是水,每一个水分子中有两个氢原子,而氢原子在自然界中99.98%以上都是质量数为1的H(1)。

为什么要说自旋呢?

因为原子核的自旋跟原子核的磁矩紧密联系在一起,这就跟我们提到的M联系到一起了。如果原子核的自旋是0,则原子核的磁矩为0,如果原子核自旋不为0,则原子核磁矩也不为零。换算关系,这里就不写了。

磁矩又有什么用呢?

原子核有磁矩,就是说当原子核处于磁场中时会被磁化。就像一堆小磁针放到一个磁场中时,这些小磁针会齐刷刷地指向一个方向。当磁场撤销后原子核的磁矩又会变得杂乱无章。前面说的H(1)在人体内大量存在,所以我们可以利用H(1)。

共振是怎么回事?

小磁针在磁场中有两种不同的可能取向,一种是与磁场方向相同,另一种是和磁场方向相反。H(1)原子核的磁矩也有两种类似的可能取向。与磁场方向相同(近似)的原子核能量低,与磁场方向相反(近似)的原子核能量高。

当外加磁场时,原子核应该处于低能级的自旋磁矩取向上,但是如果有一个一定能量的电磁波正好作用在原子核上,并且电磁波的能量正好是从低能级到高能级的量,那么这个原子核就能从低能级态转换到高能级态,这就像力学中的共振一样,力学中的共振是固有频率与外界频率相同,而这里的共振则是能量的共振,外界提供的能量与原子核能级转换需要的能量相同。这个过程就也称为“共振”,因为这种共振是原子“核”的能量与电磁“波”的能量发生共振,因此叫“核磁共振”。

这个外加的电磁波处于高能态的原子核是不稳定的,就像人在高处怕掉下来一样,随时都有可能从高能态掉到低能态去。从高能态掉到低能态时就会放出能量。

核磁共振成像是什么意思?

核磁共振发生时,对能量的吸收或释放都是可以检测的,原子核越多,那么吸收和释放的能量也越多。这样根据吸收和释放的能量情况,就能判断发生共振的原子核的多少,把这种原子核的多少转化成图像,就是核磁共振成像。

0T核磁共振成像系统

0T核磁共振成像系统

我们人体中的水中的氢原子正是绝好的核磁共振成像的材料,我们的细胞里也有很多水,这些都是核磁共振成像的材料,这样我们就能记住核磁共振成像这一技术了解人体内部一些组织的情况了。

核磁共振图像如何解读?

核磁共振技术的诞生也就五十几年,对核磁共振成像的医学解读目前主要依靠的是医生的经验。因为核磁共振成像反映的是体内氢原子核的分布情况,对于组织异常,我们必须首先了解组织正常时氢原子分布的核磁共振图像,然后通过比对才能确定是否有异常。因为与传统的X光片不同,我们对这种微观的分布情况掌握的很少,所以读片医生对核磁共振图像的识别能力还需要进一步的提高。

核磁共振成像什么都能查吗?

我们前面已经提到,目前的核磁共振成像主要探查的是氢原子的分布,其实反映的是水的分布。所以,对于致密的结构如骨骼、空腔结构如肺等都是核磁共振成像技术的弱项。

另外,由于核磁共振成像技术需要的成像时间比较长,所以对于一些运动的器官成像就比较难完成,比如肠胃的蠕动就会造成一定的模糊。目前主要采用增强静磁场强度的方法来缩短成像时间。

目前主要的核磁共振成像的强项有软骨成像、脑部微出血诊断、血管成像、肿瘤的形态学诊断、神经成像、铁质代谢成像等。

核磁共振成像医学检查安全吗?

核磁共振成像与人体打交道的是核磁共振成像仪和造影剂。各大公司生产的核磁共振成像仪都通过了美国FDA的认证,只要遵照一般的操作规程要求来进行是不会有危险的。对于一些体内有铁磁性的植入物等是会有问题的,比如心脏起搏器、人工瓣膜、人工关节等,甚至口袋里放得硬币、女性BRA中的钢丝、节育环等都会对人体造成伤害。因此,在做核磁共振成像之前需要搞清楚能不能做。造影剂由于种类很多,有一些是对人体可能有害的,有的人可能会对造影剂过敏。不过很多情况下是不需要造影剂的。

最后说一下,核磁共振成像的两个比较有特色的优点

  1. 对实质脏器的肿瘤检查,阴性预测值比较好!就是说检测肿瘤时,用核磁共振成像做出来的结果是阴性的,那么这个结论的正确率是比较高的,受检者可以更放心一点;
  2. 对肿瘤治疗效果的检查可以比较早开始,比如化疗、放疗的效果使用核磁共振成像技术检查,在开始治疗后5-7天就能看出效果了,而用传统的手段,这个时间则需要以月来计算。

以上内容部分(主要是医学应用部分)参考了宁波科协举办的“科学咖啡馆”活动中郑建军医生和诺丁汉大学的PaulGlover博士介绍的内容。在此表示感谢!(文/matrix)转载请注明出处http://mtoou.info/nmr-hecigongzhen-yuanli/

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