發表日期 5/13/2022, 5:11:27 PM
如今,當我們走進醫院,一定能感受到核醫學技術無所不在:X射綫成像、CT成像、磁共振成像、各種放射治療技術等為我們的健康保駕護航,也極大地促進瞭現代醫學的發展。
我們通常聽到的“拍核磁”,其實就是 磁共振成像 (MRI),又叫核磁共振成像。自1937年,拉比(Isador Isaac Rabi)發現核磁共振的現象開始,磁共振技術在隨後的幾十年中迎來瞭飛速發展,如今已成為臨床檢查和診斷中必不可少的設備。在整個磁共振技術的發展中,一共有6次諾貝爾奬誕生。
圖1 Isador Isaac Rabi(1898-1988)因發現核磁共振現象獲得瞭1944年的諾貝爾奬。圖源| researchgate
圖2 核磁共振成像技術的發展 圖| 俞博毅
拍核磁,究竟拍的是什麼?磁共振設備是如何得到我們身體內組織結構的影像的呢?我們可以從“核”、“磁”、“共振”、“成像”這幾個部分去理解。
Part.1
核磁共振成像的“核”
我們知道人體是由原子構成的,而原子中包含瞭原子核和核外電子。核磁共振的“核”其實就是 原子核 。原子核的類型有很多種,每一種原子核都可以進行核磁共振成像嗎?當然不是,隻有 磁性原子核 纔可以進行核磁共振成像。
原子核的磁性來源於原子核的 磁矩 ,而原子核的磁矩又源於原子核有 自鏇角動量 。我們可將原子核視為一個球體,所有的磁性原子核都具有一個特徵,那就是繞著自己的軸高速鏇轉,我們把原子核的這一特性稱之為自鏇(Spin)。
簡單來講,原子核內的 質子和中子的數目 決定瞭原子核是否為磁性原子核。若原子核內的質子數和中子數均為偶數,則這樣的核不能自鏇産生核磁,是非磁性核,反之則為磁性原子核。
由於原子核錶麵帶正電,磁性原子核自鏇就會産生環電流,從而産生具有一定大小和方嚮的磁化矢量。我們把這種由磁性原子核自鏇産生的磁場稱為 核磁 。
圖3 我們可以把原子核想象成一個球體。原子核錶麵的正電荷高速鏇轉産生環電流,環電流進而會産生一定大小和方嚮的磁化矢量。 圖|李佳昕
即便如此,我們的身體中仍然有較多的磁性原子核,選擇什麼樣的磁性原子核來進行我們人體的磁共振成像呢?
錶 人體內常見的磁性原子核 數據源|《磁共振成像技術指南---檢查規範,臨床策略及新技術應用》
如上錶所示,氫原子核在人體內含量最高,而且磁化率也是最高的,所以我們一般用氫原子核進行磁共振成像。因此,拍核磁,拍的就是“ 氫原子核 ”,也可以被稱為“ 質子 ”(因為氫原子核裏沒有中子,隻有一個質子)。
人體內的氫原子核主要來自於三類化閤物――水、脂肪、蛋白質,但是蛋白質內的氫原子核一般沒有MRI信號,所以人體中的MRI信號 主要來自於水 ,部分組織中的信號也來自於 脂肪 。
Part.2
核磁共振成像的“磁”
既然我們身體中的氫原子核都具有核磁,我們每個人身體裏數以億萬計的氫原子核都會産生磁場,我們為什麼沒有成為萬磁王?
圖4 萬磁王是漫威漫畫公司旗下的超級反派,他可以控製任何形式的磁場。圖源| 百度百科
這是因為我們身體中的氫原子核具有無序性,各個方嚮的磁化矢量 相互抵消 ,所以宏觀上我們是不具有磁性的。
那麼,如何觀測身體內的磁共振信號呢?
每一個氫原子核産生的磁場類似於一個 小磁針 ,會在磁場中受到力的作用而偏轉。如果我們外加一個主磁場,由於磁場中力的作用,氫原子核産生的磁化矢量就會與主磁場方嚮 平行同嚮或者平行反嚮 。
與主磁場平行同嚮的質子,不需要對抗主磁場的作用而處於 低能級 ;與主磁場平行反嚮的質子,需要對抗主磁場的作用而處於 高能級 。低能級的質子略多於高能級的質子,整體在宏觀上錶現為與主磁場同嚮的磁化矢量。
圖5 A,體內質子在無磁場的作用下,每個質子的磁化矢量都處於不同方嚮; B,當人體處於外磁場中,在外磁場作用下,體內質子的磁化矢量就會朝嚮兩個方嚮。圖| 俞博毅
這就像是在操場軍訓的學生,中場休息時,大傢原本在隨意活動。但是,當聽到教官的口令“麵嚮陽光和背嚮陽光,站成兩排”時,同學們就會馬上站成兩排。由於難以忍受刺眼的陽光,更多的同學本能地會站在背嚮陽光的那排。
需要注意的是,在磁場中的氫原子核,並不是完全與主磁場方嚮平行,而是 存在一定的角度 。因此氫原子核在主磁場中除瞭自鏇外,還會繞著主磁場方嚮的軸進行轉動,其運動的方式就像地上傾斜的陀螺一樣。我們把這種運動叫做 拉莫爾進動 (Larmor procession)。
圖6 自鏇的質子在磁場中像陀螺一樣進動。圖|李佳昕
拉莫爾進動的頻率ω可以用以下的公式描述:
其中γ是原子核的磁鏇比,一般是一個常數;B為主磁場強度。氫原子核的磁鏇比為42.5MHz/T。
Part.3
核磁共振成像的“共振”
提到共振,大傢很容易能想到初中學過的聲音的共振。聲音共振的條件是聲波與音叉的振動頻率一緻,類似的,核磁共振的條件是 外加的射頻脈衝與質子的拉莫爾進動頻率一緻 。
前麵講到,在磁場的作用下,宏觀上體內質子産生與主磁場相同的磁化矢量(Mz),微觀上其實是處於不同能級的質子數量不同,而這種能級的分裂隻有磁場存在時纔會産生。
就像給背嚮陽光的同學一頂遮陽帽,讓他也站到麵嚮陽光的那一排去,當我們施加一個與質子進動頻率一緻的射頻脈衝,則 低能級的質子會發生共振、吸收射頻能量而躍遷到高能級 ,此時高能級質子數量逐漸增多。
當高能級質子與低能級質子數量一緻時,磁化矢量相互抵消,則質子在宏觀上錶現為主磁場方嚮的磁化矢量為0(如圖7左側下所示)。
但與此同時,由於射頻的 聚相位效應 ,會把XY方嚮的磁化矢量聚集到一起産生XY平麵的宏觀磁化矢量,繞磁場轉動。這個聚相位作用,就像我們的五個手指本來是張開的,五個手指處於各個方嚮,如果每個手指代錶一個力,則閤力為零;當我們將手指閤攏,則閤力方嚮就是五個手指聚攏的方嚮。(如圖7右側下所示)
圖7 在磁場作用下,氫原子核能級分裂,並在射頻脈衝作用下發生核磁共振,産生能級躍遷。圖| 俞博毅
Part.4
核磁共振成像的“成像”
當我們撤去射頻脈衝,則 高能級的質子又會逐漸迴到低能級 。宏觀上就錶現為縱嚮磁化矢量的逐漸恢復(縱嚮弛豫,圖8)和橫嚮磁化矢量的逐漸衰減(橫嚮弛豫,圖9)。
圖8 縱嚮磁化矢量逐漸恢復 圖| 李佳昕
圖9 橫嚮磁化矢量逐漸衰減 圖| 李佳昕
由於人體內組織含氫原子核的數量不同,氫原子核所處的化學環境不同,所以縱嚮和橫嚮弛豫的過程不一樣,相應的,磁化矢量恢復的時間也就不同。
因此,通過設置MRI序列,我們就可以采集到組織的信號。不同組織的MRI信號強度不同,我們就能得到體內組織的對比圖像。
我們是如何采集磁共振信號的呢?其實非常簡單,高中物理課告訴我們“磁感綫切割綫圈會産生電流”,因此,用鏇轉的XY方嚮的磁化矢量去切割綫圈就能得到磁共振産生的電信號,進而運用數學方法對電信號進行轉換,就能獲得磁共振圖像瞭。
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來源:中科院近代物理所
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