唐光荣
文山州疾病预防控制中心 云南文山 663099
本文简单介绍了核磁共振技术的基本原理以及其在化学、医学领域的不同运用情况，以及优势所在，并对这项技术在精神卫生领域的发展前景进行分析和预测。核磁共振波谱法是化学运用中重要的一种波谱学。目前，与核磁共振技术的研究已经获得了五次诺贝尔奖，可见核磁共振技术在科学研究工作中占有举足轻重的地位，从1993年制出第一台核磁共振谱仪以来，核磁共振技术获得了飞速的发展，运用领域得到广泛发展，在医学领域也通过这一技术进行对人体进行分析和诊断，帮助医生快速找到病灶，从而对症下药。
一、技术背景
二十世纪三十年代，伊西多·拉比发现在磁场中的原子核会沿磁场方向呈正向或反向有序平行排列，而施加无线电波之后，原子核的自旋方向发生翻转。这是人类关于原子核与磁场以及外加射频场相互作用的最早认识。由于这项研究，拉比于1944年获得了诺贝尔物理学奖。1946年，费利克斯·布洛赫和爱德华·珀塞尔发现，将具有奇数个核子（包括质子和中子）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。为此他们两人获得了1952年度诺贝尔物理学奖。
人们在发现核磁共振现象之后很快就产生了实际用途，化学家利用分子结构对氢原子周围磁场产生的影响，发展出了核磁共振谱，用于解析分子结构，随着时间的推移，核磁共振谱技术从最初的一维氢谱（1H NMR）发展到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱图，核磁共振技术解析分子结构的能力也越来越强，进入1990年以后，发展出了依靠核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得溶液相蛋白质分子结构的精确测定成为可能。另一方面，医学家们发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振现象，利用这一现象可以获取人体内水分子分布的信息，从而精确绘制人体内部结构，在这一理论基础上，1969年纽约州立大学南部医学中心的达马迪安通过测核磁共振的弛豫时间成功地将小鼠的癌细胞与正常组织细胞区分开来，在达马迪安新技术的启发下纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特伯于1973年开发出了基于核磁共振现象的成像技术（MRI），并且应用设备成功地绘制出了一个活体蛤蜊的内部结构图像。劳特伯尔之后，MRI技术日趋成熟，应用范围日益广泛，成为一项常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森病、多发性硬化症等脑部疾病，脊椎病变以及癌症的诊断。
二、技术原理
核磁共振波谱法是化学运用中最重要的一种谱学。它是通过研究处于强磁场中的原子核对射频辐射的吸收进而获得有关化合物分子结构信息的办法。原子核由质子和中子组成，不同的核有不同的自旋量子数I，凡I值非零的原子核即具有自旋角动量P，由于原子核是带正电粒子，故自旋可导致核电荷作循环运动，产生一定的磁场，同时产生磁矩μ，则存在以下公式：μ=γ*P式中，γ成为磁旋比，是原子核的重要属性，每种核都有其特定值，该值越大，则其磁性越强，检测的灵敏度越高，信号越易被观察，在天然同位素中H核的γ最大，故其被作为首选研究对象。
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MRI是一台巨大的圆筒状机器，主要有三大基本构件组成，即磁体部分、磁共振波谱仪部分、数据处理和图像重建部分，主磁体用以提供强大的静磁场，而且要求较大的空间范围（能容纳病人），保持高度均匀的磁场强度；磁共振波谱仪主要包括射频发射部分和一套磁共振信号的接收系统；在数据处理和图像重建部分中，磁共振信号首先通过变换器变为数字量，并存入暂存器。图像处理机按所需方法处理原始数据，获得磁共振的不同参数图像，并存入图像存储器能在受检者的周围制造一个强烈磁场区的环境，借由无线电波的脉冲撞击身体细胞中的氢原子核，改变身体内氢原子的排列，当氢原子再次进入适当的位置排列时，会发出无线电讯号，此讯号借由电脑的接收并加以分析及转换处理，可将身体构造及器官中的氢原子活动，转换成2D影像，因MRI运用了生化、物理特性来区分组织，获得的影像会比电脑断层更加详细。
三、目前在医学领域的运用
人体内含有丰富的水，不同的组织，水的含量也各不相同，如果能够探测到这些水的分布信息，就能够绘制出一幅比较完整的人体内部结构图像，核磁共振成像技术就是通过识别水分子中氢原子信号的分布来推测水分子在人体内的分布，进而探测人体内部结构的技术。核磁共振成像仪在垂直于主磁场方向会提供两个相互垂直的梯度磁场，这样在人体内磁场的分布就会随着空间位置的变化而变化，每一个位置都会有一个强度不同、方向不同的磁场，这样，位于人体不同部位的氢原子就会对不同的射频场信号产生反应，通过记录这一反应，并加以计算处理，可以获得水分子在空间中分布的信息，从而获得人体内部结构的图像。
MRI所获得的图像非常清晰精细，大大提高了医生的诊断效率，避免了创伤性探查诊断的手术。由于MRI不使用对人体有害的X射线和易引起过敏反应的造影剂，因此是相对安全环保的检查。MRI可对人体各部位多角度、多平面成像，其分辨力高，能更客观更具体地显示人体内的解剖组织及相邻关系，对病灶能更好地进行定位定性。由此指导更为精确的手术和放射治疗，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。医学领域中的第一台 MRI 设备是上世纪 80年代初研发出来后，到 2002 年，全世界使用的核磁共振成像仪共有两万多台，进行了约 6000 万/人次的检查。同时，MRI 还可以替代部分血管造影检查，由于它不侵入人体，因而能减轻许多病人的痛苦，它图像反差好，密度层次分辨率高，对软组织尤其有用。由于MRI 装置是通过电子计算机来调节和控制三维的梯度场方向，不受机械方面的限制，这就完全自由地按医生需要随心所欲选择层面，获得任意层面的图像。由于它具有极大的灵巧性，能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像，空间分辨率达1.0mm左右。
MRI的优点是可以直接作出横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的体层图像；不需注射造影剂；无电离辐射，对机体没有不良影响；缺点是带有心脏起搏器的患者或有某些金属异物的部位不能作MRI的检查，另外价格相对昂贵。
四、未来发展前景
人脑是如何思维的，一直是个谜，而且是科学家们关注的重要课题。而利用 MRI 的脑功能成像技术则有助于我们在活体和整体水平上研究人的思维，利用高磁场共振成像技术研究脑的功能及其发生机制是脑科学中最重要的课题。通过使用该技术能够投射出人脑在进行不同思维活动时的图像，其基本原理是检测氧化血红蛋白和去氧血红蛋白在磁性质上的差别以及伴随脑神经活动的脑血流变化，以此展现各种感觉、运动、和认知活动过程中的激活脑区。如果这项实验成立，结合神经成像技术，能够将人类大脑的脑血流变化以及神经活动产生的电信号编码，将对人体精神活动的编码破阅，将可达到“读心术”的效果。目前精神性疾患的诊断主要依赖于精神科医生对患者的问诊和经验，发果能利用 MRI 解决脑功能成像技术和神经成像技术，在精神性疾病患者诊断，治疗效果评价，就有一个客观的医疗数据支持，但是目前由于技术以及仪器设备的限制还无法进行精确的思维活动判断，但是有关方面的研究人员已经在这方面慢慢摸索，有理由相信，MRI未来将发展成为一种类似思维阅读器的先进技术，对研究人类的大脑功能和思维，揭示“我是谁”这一哲学难题提供重要科学理论依据。
论文作者:唐光荣
论文发表刊物:《健康世界》2018年6期
论文发表时间:2018/5/29
标签：核磁共振论文; 磁场论文; 技术论文; 原子核论文; 氢原子论文; 图像论文; 波谱论文; 《健康世界》2018年6期论文;