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核磁共振是磁矩不為零的原子核,在外磁場作用下自旋能級發生蔡曼分裂,共振吸收某一定頻率的射頻輻射的物理過程。並不是是所有原子核都能產生這種現象,原子核能產生核磁共振現象是因為具有核自旋。原子核自旋產生磁矩,當核磁矩處於靜止外磁場中時產生進動核和能級分裂。在交變磁場作用下,自旋核會吸收特定頻率的電磁波,從較低的能級躍遷到較高能級。這種過程就是核磁共振。

1 核磁共振 -醫學上的核磁共振

核磁共振核磁共振

核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技術。是繼CT后醫學影像學的又一重大進步。自80年代應用以來,它以極快的速度得到發展。其基本原理:是將人體置於特殊的磁場中,用無線電射頻脈衝激發人體內氫原子核,引起氫原子核共振,並吸收能量。在停止射頻脈衝后,氫原子核按特定頻率發出射電信號,並將吸收的能量釋放出來,被體外的接受器收錄,經電子計算機處理獲得圖像,這就叫做核磁共振成像。核磁共振是一種物理現象,作為一種分析手段廣泛應用於物理、化學生物等領域,到1973年才將它用於醫學臨床檢測。為了避免與核醫學中放射成像混淆,把它稱為核磁共振成像術(MR)。MR是一種生物磁自旋成像技術,它是利用原子核自旋運動的特點,在外加磁場內,經射頻脈衝激后產生信號,用探測器檢測並輸入計算機,經過處理轉換在屏幕上顯示圖像。MR提供的信息量不但大於醫學影像學中的其他許多成像術,而且不同於已有的成像術,因此,它對疾病的診斷具有很大的潛在優越性。它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像,不會產生CT檢測中的偽影;不需注射造影劑;無電離輻射,對機體沒有不良影響。MR對檢測腦內血腫、腦外血腫、腦腫瘤、顱內動脈瘤、動靜脈血管畸形、腦缺血、椎管內腫瘤、脊髓空洞症和脊髓積水等顱腦常見疾病非常有效,同時對腰椎椎間盤后突、原發性肝癌等疾病的診斷也很有效。
MR也存在不足之處。它的空間解析度不及CT,帶有心臟起搏器的患者或有某些金屬異物的部位不能作MR的檢查,另外價格比較昂貴。 

2 核磁共振 -概述

核磁共振(MRI)又叫核磁共振成像技術。是繼CT后醫學影像學的又一重大進步。自80年代應用以來,它以極快的速度得到發展。其基本原理:是將人體置於特殊的磁場中,用無線電射頻脈衝激發人體內氫原子核,引起氫原子核共振,並吸收能量。在停止射頻脈衝后,氫原子核按特定頻率發出射電信號,並將吸收的能量釋放出來,被體外的接受器收錄,經電子計算機處理獲得圖像,這就叫做核磁共振成像。
核磁共振是處於靜磁場中的原子核在另一交變磁場作用下發生的物理現象。通常人們所說的核磁共振指的是利用核磁共振現象獲取分子結構、人體內部結構信息的技術。

3 核磁共振 -發展歷史

1930年代,物理學家伊西多·拉比發現在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列,而施加無線電波之後,原子核的自旋方向發生翻轉。這是人類關於原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識。由於這項研究,拉比於1944年獲得了諾貝爾物理學獎。

1946年,美國哈佛大學的珀塞爾和斯坦福大學的布洛赫發現,將具有奇數個核子(包括質子和中子)的原子核置於磁場中,再施加以特定頻率的射頻場,就會發生原子核吸收射頻場能量的現象,這就是人們最初對核磁共振現象的認識。為此他們兩人獲得了1952年度諾貝爾物理學獎。

人們在發現核磁共振現象之後很快就產生了實際用途,早期核磁共振主要用於對核結構和性質的研究,如測量核磁矩、電四極距、及核自旋等,化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場產生的影響,發展出了核磁共振譜,用於解析分子結構,隨著時間的推移,核磁共振譜技術不斷發展,從最初的一維氫譜發展到碳譜、二維核磁共振譜等高級譜圖,核磁共振技術解析分子結構的能力也越來越強,進入1990年代以後,人們甚至發展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質分子三級結構的技術,使得溶液相蛋白質分子結構的精確測定成為可能。後來核磁共振廣泛應用於分子組成和結構分析,生物組織與活體組織分析,病理分析、醫療診斷、產品無損監測等方面。

20世紀70年代,脈衝傅里葉變換核磁共振儀出現了,它使13C譜的應用也日益增多。用核磁共振法進行材料成分和結構分析有精度高、對樣品限制少、不破壞樣品等優點。 

4 核磁共振 -原理

核磁共振現象來源於原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的運動。根據量子力學原理,原子核與電子一樣,也具有自旋角動量,其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定,實驗結果顯示,不同類型的原子核自旋量子數也不同:

質量數和質子數均為偶數的原子核,自旋量子數為0;質量數為奇數的原子核,自旋量子數為半整數;質量數為偶數,質子數為奇數的原子核,自旋量子數為整數。迄今為止,只有自旋量子數等於1/2的原子核,其核磁共振信號才能夠被人們利用,經常為人們所利用的原子核有: 1H、11B、13C、17O、19F、31P。

核磁共振核磁共振波譜儀

由於原子核攜帶電荷,當原子核自旋時,會由自旋產生一個磁矩,這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同,大小與原子核的自旋角動量成正比。將原子核置於外加磁場中,若原子核磁矩與外加磁場方向不同,則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉,這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動,稱為進動。進動具有能量也具有一 定的頻率。原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定,也就是說,對於某一特定原子,在一定強度的的外加磁場中,其原子核自旋進動的頻率是固定不變的。原子核發生進動的能量與磁場、原子核磁矩、以及磁矩與磁場的夾角相關,根據量子力學原理,原子核磁矩與外加磁場之間的夾角並不是連續分佈的,而是由原子核 的磁量子數決定的,原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍,而不能平滑的變化,這樣就形成了一系列的能級。當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量 輸入后,就會發生能級躍遷,也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化。這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎。為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷,需要為原子核提供躍遷所需要的能量,這一能量通常是通過外加射頻場來提供的。根據物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候,射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收,為能級躍遷提供助力。因此某種特定的原子核,在給定的外加磁場中,只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量,這樣就形成了一個核磁共振信號。

5 核磁共振 -蔡曼分裂

核磁共振波譜學是光譜學的一個分支,其共振頻率在射頻波段,相應的躍遷是核自旋在核蔡曼能級上的躍遷。

自旋量子數不為零的核與外磁場H0相互作用,使核能級發生2n1重分裂,此為蔡曼分裂。核自旋在蔡曼能級之間躍遷的選擇定則為核磁共振m為核磁量子數。可發生核自旋躍遷的兩能級的能量之差

核磁共振

其中ν為旋磁比,核磁共振h/2π,h為普朗克常數。

如果在上述靜磁場H0存在的同時再加上一個方向與之垂直,強度遠小於H0的射頻交變磁場H1,並且其頻率核磁共振滿足如下條件:

核磁共振

則原子核會吸收射頻場能量,在兩蔡曼能級之間發生躍遷,此現象為核磁共振現象。共振圓頻率:

核磁共振

核磁共振頻率因核而異,對於同一種核,共振頻率與靜磁場H0成正比。

核磁共振核磁共振

6 核磁共振 -主要參數

1. 化學位移 

同一種核在分子中因所處的化學環境不同,使共振頻率發生位移的現象。化學位移產生的原因是分子中運動的電子在外磁場下對核產生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子σ來表示。一般來說屏蔽因子σ 是一個二階張量,只有在液體中由於分子的快速翻滾,化學位移的各向異性被平均,屏蔽因子才表現為一常量。

核磁共振的共振頻率:

核磁共振

實際測定中化學位移是以某一參考物的譜線為標準,其他譜線都與它比較,即以一無因次的量δ表示化學位移的大小。常用參考物是四甲基硅(TMS)。

核磁共振

H參考H樣品分別是使參考物和被測樣品共振的磁場強度,Ho是儀器工作的磁場強度。
v參考v樣品分別是參考物和被測樣品的共振頻率Vo是儀器的工作頻率,化學位移的單位是(ppm百萬分之一)。

化學位移的大小受鄰近基團的電負性、磁各向異性、芳環環流、溶劑、pH值、氫鍵等許多因素的影響。其中有3種效應常被用於生物學研究。

環流效應:生物分子中常有含大π共軛電子云的芳環或芳雜環,如Phe、His、Tyr、Trp、嘌呤、嘧啶以及卟啉環。原子核相對於這些環的距離,方位不同,受大π電子云產生的附加磁場的影響不同,對各核化學位移的影響亦不同。環流效應常用於生物分子的溶液構象研究。

順磁效應:Fe(高自旋態)、CO、Mn等順磁離子及有機自由基(自旋標記化合物)中的不成對電子對周圍核的化學位移及弛豫過程會有很大的影響,利用這個效應可研究順磁離子周圍基團的狀況。

pH滴定效應:在不同pH條件下,各解離基團的解離狀況不一,造成附近基團有不同的化學環境,從而使得化學位移隨pH變化。

2. 耦合常數 

核與核之間以價電子為媒介相互耦合引起譜線分裂的現象稱為自旋裂分。由於自旋裂分形成的多重峰中相鄰兩峰之間的距離被稱為自旋——自旋耦合常數,用J表示。耦合常數用來表徵兩核之間耦合作用的大小,具有頻率的因次,單位是赫茲。

一般來說由於自旋耦合使高分辨核磁共振波譜變得十分複雜,但是當化學位移之差Δγ遠大於耦合常數時,一個含有n個自旋量子數為1I2的核的基團將會使其鄰近基團中核的吸收峰分裂為2n 1重峰,並且這 2n1重峰的強度分佈服從二項式係數分配公式(1x)。此為一級分裂波譜。

圖1中各峰由於自旋耦合而產生譜線裂分。耦合常數的大小與外加磁場的大小無關,與分子結構有關即與兩核之間鍵的數目及電子云的分佈有關。一般來說,兩核之間相隔 3個以上的化學鍵之間的耦合被稱為遠程耦合,J值很小。如果兩核之間相隔四個或四個以上的單鍵,J值基本上等於零。

核磁共振核磁共振
耦合常數可提供分子中二面角的信息。多肽和蛋白質中NH-核磁共振H耦合常數和圍繞核磁共振-N 鍵的二面角核磁共振之間有如下的Karplus關係式:

核磁共振

核苷酸的某些構象信息,亦可按一定公式由耦合常數測知。

3. 譜峰強度

信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息,處於相同化學環境的原子核在核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰,通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子核的數量,從而為分子結構的解析提供重要信息。表徵信號峰強度的是信號峰的曲線下面積積分,即吸收峰積分曲線的高度與產生該吸收峰基團的粒子數成正比。圖1中苯環間位質子峰,苯環鄰位質子峰,α-CH質子峰,β-CH質子峰的積分強度之比為2∶2∶1∶2。

這一信息對於1H-NMR譜尤為重要,而對於13C-NMR譜而言,由於峰強度和原子核數量的對應關係並不顯著,因而峰強度並不非常重要。

4. 弛豫參數

從微觀機制上說,弛豫是由局部漲落磁場所引起的。偶極-偶極相互作用、分子轉動、化學位移各向異性、鄰近存在電四極核等等,都可以產生局部磁場。而固體中的晶格震動,液體中的Brown 運動等,使得局部磁場將隨時間漲落。弛豫過程的特性取決於分子運動的性質。由於分子運動是無規則的,局部漲落磁場也是一個隨機過程。此外,弛豫速率(即弛豫時間的倒數),具有可加和性。當存在多種弛豫機制時,總的弛豫速率是各種機制弛豫速率的總和。

①自旋-晶格弛豫時間(縱向弛豫時間)T1,核系統與周圍晶格相互作用,交換能量,使核系統恢復平衡,這一過程被稱為自旋-晶格弛豫過程,自旋-晶格弛豫過程的快慢可用自旋-晶格弛豫時間T1來表徵。T1的單位是秒。

②自旋-自旋弛豫時間(橫向弛豫時間)T2,等同核之間的磁相作用被稱為自旋-自旋相互作用。等同核之間相互交換自旋態並不改變系統的總能量,卻縮短了系統在激發態的能級壽命。自旋-自旋弛豫時間T2是核處於激發態的能級壽命,以秒為單位,它與譜線寬度有關。

核磁共振

Δγ為譜峰半高寬(Hz)。

③核奧弗豪澤效應。當一個強的射頻場加到一組核上,使其中一個或多個躍遷被飽和,這時在空間相鄰近的另一組核的共振信號的積分強度會因此而改變,這一現象被稱為核奧弗豪澤效應,最早由A.W.奧弗豪澤發現。

核奧弗豪澤效應的大小可用NOE來表示:

核磁共振

I0是未照射時信號強度,Iz是鄰近基團被照射時的信號強度,η被稱為核奧弗豪澤效應增強因子。

T1T2NOE都與分子運動的相關時間τ0有關,從中可以得到生物大分子內部動力學的信息,NOE還與兩核之間距離的6次方成反比。

核磁共振儀器包括以下幾類:

核磁共振磁場計、核磁共振測場儀、核磁共振分析儀、核磁共振表面探測儀、核磁共振探水儀、核磁共振測井儀、核磁共振波譜儀、核磁共振成像儀,其中核磁共振波譜儀還分為液體核磁共振譜儀和固體核磁共振譜儀。

7 核磁共振 -核磁共振譜儀

核磁共振譜儀分為兩大類,即連續譜核磁共振譜儀脈衝傅立葉變換核磁共振譜儀

前者將單一頻率的射頻場連續加在核系統上,得到的是頻率域上的吸收信號和色散信號。後者將短而強的等距脈衝所調製的射頻信號加到核系統上,使不同共振頻率的許多核同時得到激發,得到的是時間域上的自由感應衰減信號(FID)的相干圖,再經過計算機進行快速傅立葉變換后才得到頻率域上的信號。

8 核磁共振 -應用

核磁共振核磁共振波譜儀

NMR技術即核磁共振譜技術,是將核磁共振現象應用於分子結構測定的一項技術。對於有機分子結構測定來說,核磁共振譜扮演了非常重要的角色,核磁共振譜與紫外光譜、紅外光譜和質譜一起被有機化學家們稱為「四大名譜」。對核磁共振譜的研究主要集中在1H和13C兩類原子核的圖譜。

核磁共振的特點:①共振頻率決定於核外電子結構和核近鄰組態;②共振峰的強弱決定於該組態在合金中所佔的比例;③譜線的解析度極高。

早期的核磁共振譜主要集中於氫譜,這是由於能夠產生核磁共振信號的1H原子在自然界丰度極高,由其產生的核磁共振信號很強,容易檢測。隨著傅立葉變換技術的發展,核磁共振儀可以在很短的時間內同時發出不同頻率的射頻場,這樣就可以對樣品重複掃描,從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區分出來,這使得人們可以收集13C核磁共振信號。

近年來,人們發展了二維核磁共振譜技術,這使得人們能夠獲得更多關於分子結構的信息,二維核磁共振譜已經可以解析分子量較小的蛋白質分子的空間結構。

9 核磁共振 -生物學中應用

核磁共振核磁共振氫譜
核磁共振波譜技術用來研究生物大分子有如下特點:

①不破壞生物高分子結構(包括空間結構)。
②在溶液中測定符合生物體的常態,也可測定固體樣品,比較晶態和溶液態的構象異同。
③不僅可用來研究構象而且可用來研究構象變化即動力學過程。
④可以提供分子中個別基團的信息,對於比較小的多肽和蛋白質已可通過二維NMR獲得全部三維結構信息。
⑤可用來研究活細胞和活組織。

在生物學研究中最常用的是H,C,P譜,此外還有N,F等。H譜發展最早,H在生物體中無所不在,核磁相對靈敏度高,故應用最廣,包括用於核磁成像。缺點是含氫基團極多,譜線易重疊而不易解析。碳亦為生物體內重要元素,但C自旋為零,C天然丰度低,僅為1.1%,對等數量的核在相同磁場下其靈敏度只及H的1.6%。其優點是化學位移範圍寬,在寬頻去耦條件下進行實驗,波譜簡單,易分辨,隨著測定技術及C標記方法的發展,C 譜已有極廣泛的應用。P譜常用於活組織測定,觀察ATP等含磷化合物的代謝過程,並已用於核磁成像。

核磁共振核磁共振碳譜

NMR在生物學研究中範圍很廣。主要有:

分析研究 :如確定生物分子成分及濃度,特別是可不破壞組織細胞而測知其中組分;確定異構體比例;確定分子解離狀態;確定金屬離子或配基是否處於結合狀態;以及測定細胞膜內外的pH差異。

熱力學研究:如測定酶與底物、配基、抑製劑的結合常數;測定可解離基團的pK值,特別是能測定生物大分子中分處不同微環境的同類殘基的同類基團的不同pK值,這是其他方法所不及的;還可測定相變溫度,ΔG等其他熱力學參數。

動力學研究:監測反應進程,測定各組分隨時間的變化;通過變溫實驗和線形分析,測平衡過程的動力學常數,包括某些生化反應的反應速率,研究分子間(如酶與抑製劑,DNA與藥物)相互作用的動力學過程。

分子運動研究:弛豫參數(T1T2NOE)可用來研究生物高分子的動力學,以及生物膜的流動性。

分子構象及構象變化研究:用二維核磁共振技術加上計算機模擬已能獨立確定小的蛋白質分子及核苷酸片段在溶液中的三維空間結構。改變物理化學因素或加入可與生物分子相互作用的其他物質,將會使核磁圖譜發生變化,從而可用來研究這種構象變化。

活體研究:用P,C,H磁共振方法測定活細胞,活組織以致整體的代謝物濃度及變化,測定細胞內pH值,觀察藥物或不同生理狀況對代謝的影響。研究對象有微生物、植物、各種動物以至人體器官等。

10 核磁共振 -二維核磁共振譜

核磁共振核磁共振

自70年代末,特別是80年代以來二維核磁共振(2D-NMR)及核磁成像技術(NMR image)迅速發展,已在生物學、醫學研究中發揮越來越大的作用。

二維核磁共振的思想是1971年提出的,1976年R.R.恩斯特用密度矩陣方法對二維核磁共振實驗進行了詳細的理論闡述,自此二維核磁共振技術得到了非常迅猛的發展。1977年K.維特里希首先將此方法用於生物高分子,研究氨基酸和牛胰胰蛋白酶抑製劑,在此基礎上發展了用二維核磁共振對蛋白質H-NMR的單個譜峰全部識別的方法。

二維核磁共振譜S1,ω2)被定義為二個獨立的頻率變數ω1和ω2的函數,它是由對時間域上的函數S(t1t2)進行二維傅立葉變換得到的。

基本原理如下:所有二維核磁共振波譜在時間域上都可分為四個時期,即準備期、發展期、混和期(可以沒有)及檢測期,其中發展期的時間間隔為t1,檢測期的時間間隔為t2

核磁共振核磁共振

準備期一般比較長,自旋系統在這一時期達到熱平衡。發展期加上一個或多個射頻脈衝使核系統演化。混和期包括脈衝和延遲時間。在檢測期,信號作為t2的函數被檢測,並以發展期的時間間隔t1為參數。只改變發展期的時間間隔t1,重複多次實驗,即可得到時間域的二維信號St1t2),對此作二維傅立葉變換即得頻率域的二維

核磁共振譜S(ω1,ω2)。二維核磁共振譜可分為3類:

1. 化學位移相關譜 

這類實驗可以將相互耦合的核或者具有化學交換的核,或是有交互弛豫的核的化學位移相關聯。

2.J-譜 

J(耦合分解)譜中,決定共振峰位置的兩個參數,即標量耦合和化學位移得到分開。

3. 多量子譜 

核磁共振核磁共振

這類實驗可用來檢測多量子躍遷。K.維特里希將2D-NMR用於蛋白質結構研究,使得人們有可能對小的或中等大小的蛋白質,無需晶體結構資料,只根據一級結構序列和一套 NMR數據就可以推斷該蛋白質在溶液中的構象。

對肽鏈中各基團的質子而言,存在兩種相互關係,一種是通過化學鍵的J耦合關係,一種是通過空間的NOE關係(圖2)。蛋白質中上述兩種相互關係可以通過二類2D-NMR實驗找出:

①二維相關譜(COSY) 如圖3所示,對角線上的峰是一維譜峰,對角線以外的峰為交叉峰,交叉峰相對於對角線為軸對稱,從一個交叉峰出發分別作垂直線與水平線與對角線相交,相交處的兩峰所對應的核之間有J耦合。因此交叉峰將標量耦合的質子相關聯。 ②二維核奧弗豪澤增強譜(NOESY) 如圖4所示,其交叉峰將空間上比較接近,相互之間有NOE的峰相關聯,這包括同一氨基酸殘基中由共價鍵相連的質子如 CαH,CβH,CγH,在氨基酸序列中相鄰殘基之間主鏈上的質子,如C核磁共振H和NH,以及在一級結構序列中分開較遠而在三維空間結構上接近的質子。實際工作中將半張COSY譜,半張NOESY譜按對角線並接成圖即可沿肽鏈按殘基序列逐一識別出共振峰。此外NOESY譜還可提供H和H之間空間距離的信息,從而得到有關蛋白質二級結構的信息。

2D-NMR不僅被用來研究蛋白質,而且用來研究核酸以及蛋白質和核酸的相互作用。

11 核磁共振 -核磁共振成像

核磁共振成像(NMR image,MRI)技術是核磁共振在醫學領域的應用。人體內含有非常豐富的水,不同的組織,水的含量也各不相同,如果能夠探測到這些水的分佈信息,就能夠繪製出一幅比較完整的人體內部結構圖像,核磁共振成像技術就是通過識別水分子中氫原子信號的分佈來推測水分子在人體內的分佈,進而探測人體內部結構的技術。

核磁共振核磁共振成像

最早的核磁共振成像實驗是由1973年勞特伯發表的,並立刻引起了廣泛重視,短短10年間就進入了臨床應用階段。作用在樣品上有一穩定磁場和一個交變電磁場,去掉電磁場后,處在激發態的核可以躍遷到低能級,輻射出電磁波,同時可以在線圈中感應出電壓信號,稱為核磁共振信號。人體組織中由於存在大量水和碳氫化合物而含有大量的氫核,一般用氫核得到的信號比其他核大1000倍以上。正常組織與病變組織的電壓信號不同,結合CT技術,即電子計算機斷層掃描技術,可以得到人體組織的任意斷面圖像,尤其對軟組織的病變診斷,更顯示了它的優點,而且對病變部位非常敏感,圖像也很清晰。若將核磁共振的頻率變數增加到兩個或多個,可以實現二維或多維核磁共振,從而獲得比一維核磁共振更多的信息。核磁共振成像應用僅限於氫核,但從實際應用的需要,還要求可以對其他一些核如:C13、N14、P31、S33、Na23、I127等進行核磁共振成像。C13已經進入實用階段,但仍需要進一步擴大和深入。核磁共振與其他物理效應如穆斯堡爾效應(γ射線的無反衝共振吸收效應)、電子自旋共振等的結合可以獲得更多有價值的信息,無論在理論上還是在實際應用中都有重要意義。核磁共振擁有廣泛的應用前景,伴隨著脈衝傅里葉技術已經取得了一次突破,使C13譜進入應用階段,有理由相信,其它核的譜圖進入應用階段應為期不遠。 

與用於鑒定分子結構的核磁共振譜技術不同,核磁共振成像技術改編的是外加磁場的強度,而非射頻場的頻率。核磁共振成像儀在垂直於主磁場方向會提供兩個相互垂直的梯度磁場,這樣在人體內磁場的分佈就會隨著空間位置的變化而變化,每一個位置都會有一個強度不同、方向不同的磁場,這樣,位於人體不同部位的氫原子就會對不同的射頻場信號產生反應,通過記錄這一反應,並加以計算處理,可以獲得水分子在空間中分佈的信息,從而獲得人體內部結構的圖像。

核磁共振成像技術還可以與X射線斷層成像技術(CT)結合為臨床診斷和生理學、醫學研究提供重要數據。核磁共振成像技術是一種非介入探測技術,相對於X-射線透視技術和放射造影技術,MRI對人體沒有輻射影響,相對於超聲探測技術,核磁共振成像更加清晰,能夠顯示更多細節,此外相對於其他成像技術,核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變,而且還能夠對腦、心、肝等功能性反應進行精確的判定。在帕金森氏症、阿爾茨海默氏症、癌症等疾病的診斷方面,MRI技術都發揮了非常重要的作用。

核磁共振核磁共振成像

磁共振成像與1901年獲得諾貝爾物理學獎的普通X射線或1979年獲得諾貝爾醫學獎的計算機層析成像(computerized tomography, CT)相比,磁共振成像的最大優點是它是少有的對人體沒有任何傷害的安全、快速、準確的臨床診斷方法。如今全球每年至少有6000萬病例利用核磁共振成像技術進行檢查。具體說來有以下幾點:

對人體沒有遊離輻射損傷;各種參數都可以用來成像,多個成像參數能提供豐富的診斷信息,這使得醫療診斷和對人體內代謝和功能的研究方便、有效。能獲得腦和脊髓的立體圖像,不像CT(只能獲取與人體長軸垂直的剖面圖)那樣一層一層地掃描而有可能漏掉病變部位;能診斷心臟病變,CT因掃描速度慢而難以勝任;對軟組織有極好的分辨力。對膀胱、直腸、子宮、陰道、骨、關節、肌肉等部位的檢查優於CT;原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像,例如氫(1H)、碳(13C)、氮(14N和15N)、磷(31P)等。

12 核磁共振 -核磁共振探測

核磁共振核磁共振探測技術
核磁共振探測(MRS)是MRI技術在地質勘探領域的延伸,通過對地層中水分佈信息的探測,可以確定某一地層下是否有地下水存在,地下水位的高度、含水層的含水量和孔隙率等地層結構信息。

核磁共振探測技術已經成為傳統的鑽探探測技術的補充手段,並且應用於滑坡等地質災害的預防工作中,但是相對於傳統的鑽探探測,核磁共振探測設備購買、運行和維護費用非常高昂,這嚴重地限制了MRS技術在地質科學中的應用。

13 核磁共振 -功能及特點


  核磁共振是一種物理現象,作為一種分析手段廣泛應用於物理、化學生物等領域,到1973年才將它用於醫學臨床檢測。為了避免與核醫學中放射成像混淆,把它稱為核磁共振成像術(MR)。

  MR是一種生物磁自旋成像技術,它是利用原子核自旋運動的特點,在外加磁場內,經射頻脈衝激后產生信號,用探測器檢測並輸入計算機,經過處理轉換在屏幕上顯示圖像。

  MR提供的信息量不但大於醫學影像學中的其他許多成像術,而且不同於已有的成像術,因此,它對疾病的診斷具有很大的潛在優越性。它可以直接作出橫斷面、矢狀面、冠狀面和各種斜面的體層圖像,不會產生CT檢測中的偽影;不需注射造影劑;無電離輻射,對機體沒有不良影響。

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