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1、一、摘要：核磁共振是指原子核在外加恒力磁场作用下产生能级分裂，从而对特定的电磁波发生共振吸收的现象。因而通过测定和分析受测物质对电磁波的吸收情况就可以判定它含有哪种原子，以及原子之间的距离多大，并据此分析出它的三维结构。核磁共振技术（nuclear magnetic resonance,NMR）发展至今已经六十多年了，在材料科学，化学，医疗，石油化工等领域已经有了广泛的应用，许多科学家因研究NMR而获得诺贝尔奖。本文将对NMR的发展和展望做一个介绍。1946年两位美国科学家布洛赫和珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子
2、）的原子核置于磁场中，再施加以特定频率的射频场，就会发生原子核吸收射频场能量的现象，这就是人们最初对核磁共振现象的认识。核磁共振技术是利用原子在磁场中的能量变化获得有关原子核的信息，是一种具有高分辨率的分析技术。二、核磁共振的原理：核磁共振是原子核在外磁场中，能级之间共振跃迁的现象。我们知道，原子核带正电并有自旋运动，其自旋运动必将产生磁矩，称为核磁矩。研究表明,核磁矩μ与原子核的自旋角动量S成正比,即：μγ=S式中γ为比例系数，称为原子核的旋磁比。在外磁场中,原子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
3、表示为：I=mhm为核自旋量子数。依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是量子化的，它在磁场方向上的投影值为：μ=mγh对于不同的核，m分别取整数或半整数。在外磁场中,具有磁矩的原子核具有相应的能量,其数值可表示为：E=-u·B=mγhB式中B为磁感应强度。可见，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，自旋能量分裂成一系列分立的能级，相邻的两个能级之差为：ΔE=γhB用频率适当的电磁辐射照射原子核，如果电磁辐射光子能量hν恰好为两相邻核能级之差ΔE，则原子核就会吸收这个光子，发生核磁共振
4、的频率条件是:hν=γhB=γhB/2π 或ω=2πν=γB式中ν为频率，ω为圆频率。对于确定的核,旋磁比γ可被精确地测定。可见,通过测定核磁共振时辐射场的频率ν，就能确定磁感应强度;反之,若已知磁感应强度,即可确定核的共振频率。三、核磁共振成像：核磁共振成像(MRI)是一种多参数、多核种的成像技术。目前临床上使用的主要是氢核(质子)密度、弛豫时间T1、T2的成像。其基本原理是利用一定频率的电磁波,向处于静磁场中的人体照射。人体各种不同组织的氢核,在电磁波作用下会发生核磁共振。吸收电磁波的能量,随后又发射电磁波,即发射所谓核
5、磁共振信号。这种核磁共振信号携带了物质内部结构的信息,通过测量和分析,可以获得物质的物理和化学信息,从而在物理、化学、生物、医学等方面具有重要的应用价值。而MRI系统探测到这些来自人体中的氢核发射出来的电磁波信号之后,经计算机处理和图象重建,得到人体的断层图象,不仅可以反映形态学的信息,还可以从图象中得到与病理有关的信息。因此被认为是一种研究活体组织、诊断早期病变的医学影像技术。1、MRI的原理：核磁共振(NMR)现象：含单数质子的原子核,如人体内广泛存在的氢原子核,其质子有自旋运动,带正电,产生磁矩,磁矩方向无一定规律。将
6、其置于均匀的强磁场B0中,原子核磁矩按磁场磁力线的方向重新排列,若在垂直于B0方向上再施加一交变磁场B1,称电磁辐射或射频(RF),当射频脉冲频率ω与恒定磁场B0满足拉莫尔方程：ω=γB0时,氢核系统将吸收电磁波的能量,使部分氢核被激发,即发生了核磁共振现象。停止发射射频脉冲,则被激发的氢原子核把吸收的能量逐步释放出来,其相位和能级都恢复到激发前的状态。这一恢复过程称之为弛豫过程。完成此过程一般分两步进行,第一步是氢核之间先达到平衡,此时各磁矩在水平方向的磁性将互相抵消,从宏观上看磁矩水平分量趋近于零,所以称为横向弛豫过程,
7、由于这个过程是同种核相互交换能量的过程,所以又叫自旋-自旋弛豫过程。反映横向磁化衰减、丧失的过程,也即横向磁化所维持的时间,称横向弛豫时间T1。第二步是整个氢核磁矩系统与周围环境之间恢复到平衡状态,这个过程是氢核系统吸收能量,偏离磁场方向,其宏观磁矩在纵向的分量,由小到大,最后达到未偏离磁场方向以前宏观磁矩的大小,所以这个过程叫纵向弛豫过程。由于这个过程是氢核与周围物质进行热交换,最后达到热平衡,故又称为自旋-晶格弛豫过程。反映自旋核把吸收的能量传给周围晶格所需的时间,称纵向弛豫时间T2。人体不同器官的正常组织与病理组织的T
8、1、T2是相对固定的,而且它们之间有一定的差别,这种组织间弛豫时间上的差别,是MRI的成像基础。2、MRI的基本方法：MRI的方法很多,但不论哪一种成像方法,都是基于这样一种指导思想,即怎样用磁场值来标定受检体共振核的空间位置。为了实现这一目的,在均匀的强磁场中叠加一个随位置的坐标而变化的
