核磁共振成像仪（医学设备）
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更新时间：2023-05-20
基本信息
| 中文名 | 核磁共振成像仪 |
| 外文名 | MRI |
| 又叫 | 核磁共振成像技术 |
| 应用年代 | 80年代 |
简介
发展历史
核磁共振成像仪
1946年，美国哈佛大学的珀塞尔和斯坦福大学的布洛赫发现，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。
基本原理
核磁共振现象来源于原子核的自旋角动量在外加磁场作用下的运动。根据量子力学原理，原子核与电子一样，也具有自旋角动量，其自旋角动量的具体数值由原子核的自旋量子数决定，实验结果显示，不同类型的原子核自旋量子数也不同：质量数和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0；质量数为奇数的原子核，自旋量子数为半整数；质量数为偶数，质子数为奇数的原子核，自旋量子数为整数。迄今为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核，其核磁共振信号才能够被人们利用，经常为人们所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P。
由于原子核携带电荷，当原子核自旋时，会由自旋产生一个磁矩，这一磁矩的方向与原子核的自旋方向相同，大小与原子核的自旋角动量成正比。将原子核置于外加磁场中，若原子核磁矩与外加磁场方向不同，则原子核磁矩会绕外磁场方向旋转，这一现象类似陀螺在旋转过程中转动轴的摆动，称为进动。进动具有能量也具有一 定的频率。原子核进动的频率由外加磁场的强度和原子核本身的性质决定，也就是说，对于某一特定原子，在一定强度的的外加磁场中，其原子核自旋进动的频率是固定不变的。原子核发生进动的能量与磁场、原子核磁矩、以及磁矩与磁场的夹角相关，根据量子力学原理，原子核磁矩与外加磁场之间的夹角并不是连续分布的，而是由原子核 的磁量子数决定的，原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑的变化，这样就形成了一系列的能级。当原子核在外加磁场中接受其他来源的能量输入后，就会发生能级跃迁，也就是原子核磁矩与外加磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获取核磁共振信号的基础。为了让原子核自旋的进动发生能级跃迁，需要为原子核提供跃迁所需要的能量，这一能量通常是通过外加射频场来提供的。根据物理学原理当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同的时候，射频场的能量才能够有效地被原子核吸收，为能级跃迁提供助力。因此某种特定的原子核，在给定的外加磁场中，只吸收某一特定频率射频场提供的能量，这样就形成了一个核磁共振信号。
主要参数
1.化学位移
同一种核在分子中因所处的化学环境不同，使共振频率发生位移的现象。化学位移产生的原因是分子中运动的电子在外磁场下对核产生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子σ来表示。一般来说屏蔽因子σ 是一个二阶张量，只有在液体中由于分子的快速翻滚，化学位移的各向异性被平均，屏蔽因子才表现为一常量。
核磁共振的共振频率：
实际测定中化学位移是以某一参考物的谱线为标准，其他谱线都与它比较，即以一无因次的量δ表示化学位移的大小。常用参考物是四甲基硅(TMS)。
核磁共振成像仪
v参考， v样品分别是参考物和被测样品的共振频率 Vo是仪器的工作频率，化学位移的单位是(ppm百万分之一)。
① 环流效应：生物分子中常有含大π共轭电子云的芳环或芳杂环，如Phe、His、Tyr、Trp、嘌呤、嘧啶以及卟啉环。原子核相对于这些环的距离，方位不同，受大π电子云产生的附加磁场的影响不同，对各核化学位移的影响亦不同。环流效应常用于生物分子的溶液构象研究。
③ pH滴定效应：在不同pH条件下，各解离基团的解离状况不一，造成附近基团有不同的化学环境，从而使得化学位移随pH变化。
2. 耦合常数
核与核之间以价电子为媒介相互耦合引起谱线分裂的现象称为自旋裂分。由于自旋裂分形成的多重峰中相邻两峰之间的距离被称为自旋——自旋耦合常数，用 J表示。耦合常数用来表征两核之间耦合作用的大小，具有频率的因次，单位是赫兹。
一般来说由于自旋耦合使高分辨核磁共振波谱变得十分复杂，但是当化学位移之差Δ γ远大于耦合常数时，一个含有 n个自旋量子数为1 I2的核的基团将会使其邻近基团中核的吸收峰分裂为2 n1重峰，并且这 2 n1重峰的强度分布服从二项式系数分配公式(1 x)n。此为一级分裂波谱。
图1中各峰由于自旋耦合而产生谱线裂分。耦合常数的大小与外加磁场的大小无关，与分子结构有关即与两核之间键的数目及电子云的分布有关。一般来说，两核之间相隔 3个以上的化学键之间的耦合被称为远程耦合， J值很小。如果两核之间相隔四个或四个以上的单键， J值基本上等于零。
3. 谱峰强度
信号强度是核磁共振谱的第三个重要信息，处于相同化学环境的原子核在核磁共振谱中会显示为同一个信号峰，通过解析信号峰的强度可以获知这些原子核的数量，从而为分子结构的解析提供重要信息。表征信号峰强度的是信号峰的曲线下面积积分，即吸收峰积分曲线的高度与产生该吸收峰基团的粒子数成正比。图1中苯环间位质子峰，苯环邻位质子峰，α-CH质子峰，β-CH质子峰的积分强度之比为2∶2∶1∶2。
这一信息对于1H-NMR谱尤为重要，而对于13C-NMR谱而言，由于峰强度和原子核数量的对应关系并不显著，因而峰强度并不非常重要。
4. 弛豫参数
从微观机制上说，弛豫是由局部涨落磁场所引起的。偶极-偶极相互作用、分子转动、化学位移各向异性、邻近存在电四极核等等，都可以产生局部磁场。而固体中的晶格震动，液体中的Brown 运动等，使得局部磁场将随时间涨落。弛豫过程的特性取决于分子运动的性质。由于分子运动是无规则的，局部涨落磁场也是一个随机过程。此外，弛豫速率（即弛豫时间的倒数），具有可加和性。当存在多种弛豫机制时，总的弛豫速率是各种机制弛豫速率的总和。
①自旋-晶格弛豫时间（纵向弛豫时间） T1，核系统与周围晶格相互作用，交换能量，使核系统恢复平衡，这一过程被称为自旋－晶格弛豫过程，自旋－晶格弛豫过程的快慢可用自旋－晶格弛豫时间 T1来表征。 T1的单位是秒。
②自旋－自旋弛豫时间(横向弛豫时间) T2，等同核之间的磁相作用被称为自旋－自旋相互作用。等同核之间相互交换自旋态并不改变系统的总能量，却缩短了系统在激发态的能级寿命。自旋－自旋弛豫时间 T2是核处于激发态的能级寿命，以秒为单位，它与谱线宽度有关
技术成就
保罗·劳特布尔（Paul Lauterbur），美国科学家。1985年至今，他担任美国伊利诺伊大学生物医学核磁共振实验室主任。因在核磁共振成像技术领域的突破性成就，而和英国科学家彼得·曼斯菲尔德（Peter Mansfield）共同获得2003年度诺贝尔生理学或医学奖。于2007年3月27日在美国伊利诺伊州乌尔班纳市逝世，享年77岁。
劳特布尔1929年生于美国俄亥俄州小城悉尼，1951年获凯斯理工学院理学士，1962年获费城匹兹堡大学化学博士。1963年至1984年间，劳特布尔作为化学和放射学系教授执教于纽约州立大学石溪分校。在此期间，他致力于核磁共振光谱学及其应用的研究。劳特布尔还把核磁共振成像技术推广应用到生物化学和生物物理学领域。
彼得· 曼斯菲尔德1933年出生于英国伦敦，1959年获伦敦大学玛丽女王学院理学士，1962年获伦敦大学物理学博士学位。1962年到1964年担任美国伊利诺伊大学物理系助理研究员，1964年到英国诺丁汉大学物理系担任讲师，现为该大学物理系教授。除物理学之外，曼斯菲尔德还对语言学、阅读和飞行感兴趣，并拥有飞机和直升机两用的飞行员执照。他进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场的理论，为核磁共振成像技术从理论到应用奠定了基础。
瑞典卡罗林斯卡医学院6日宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家保罗·劳特布尔和英国科学家彼得·曼斯菲尔德，以表彰他们在核磁共振成像技术领域的突破性成就。他们的成就是医学诊断和研究领域的重大成果。
在科学家成果的基础上，第一台医用核磁共振成像仪于20世纪80年代初问世。后来，为了避免人们把这种技术误解为核技术，一些科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称为其为“磁共振成像技术”，英文缩写即MRI。
核磁共振成像技术的最大优点是能够在对身体没有损害的前提下，快速地获得患者身体内部结构的高精确度立体图像。利用这种技术，可以诊断以前无法诊断的疾病，特别是脑和脊髓部位的病变；可以为患者需要手术的部位准确定位，特别是脑手术更离不开这种定位手段；可以更准确地跟踪患者体内的癌变情况，为更好地治疗癌症奠定基础。此外，由于使用这种技术时不直接接触被诊断者的身体，因而还可以减轻患者的痛苦。
目前核磁共振成像仪在全世界得到初步普及，已成为最重要的诊断工具之一。2002年，全世界使用的核磁共振成像仪共有2.2万台，利用它们共进行了约6000万人次的检查。
现代发展
开发出世界扫描能力最强医用核磁共振成像仪
美国伊利诺伊大学芝加哥分校2007年12月4日宣布，该校研制的高强度的核磁共振成像仪已经完成了安全测试，即将投入临床使用。这将是世界上扫描能力最强的医用核磁共振成像设备。
根据美国食品和药物管理局的规定，此类设备投入使用前必须进行严格的人体安全测试。
研究人员说，在兼顾安全性的前提下，这种高强度的核磁共振成像仪的扫描能力将大大提高，能帮助医生更早地检测疾病，更好地监测疾病进程。医生将可以实时地观测人脑内的新陈代谢等生物过程，有助于针对不同患者制定“个性化”治疗方案。
例如，将来医生可以利用高强度的扫描仪，实时观察患者大脑内肿瘤对治疗方案的响应情况，随时调整放疗剂量等。而目前，医生通常要等好几个星期才能观察到肿瘤在治疗方案作用下是否开始缩减。医生将来甚至可能观测到，在整个肿瘤缩减之前内部的单个细胞是否已开始死亡。
美国弗吉尼亚大学华人科学家王成波领导的研究小组开发出一种新型氦气弥散核磁共振成像技术，在2008年5月17日前于加拿大举行的第16届国际核磁共振学会年会上获得青年科学家临床医学奖。与会专家认为，这种新技术有望推进肺部疾病的研究和治疗，具有应用前景。
长期以来，医学研究人员推测哮喘病可能会引起肺部深层组织病变，但由于技术障碍，这个推测始终难以得到证实。王成波17日接受新华社记者采访时说，与普通核磁共振成像不同，在氦气核磁共振成像中，患者吸入一种特殊氦气——氦的同位素气体。通过测量这种氦气分子的弥散距离，科学家们可以探测到包括肺部微小气管在内的深层组织损害。
王成波的研究小组发现，氦气核磁共振成像探测到的肺部深层组织损害与已知的哮喘病中普通的气管紧缩完全不同。
此外，这种肺部深层组织病变对最强力的哮喘激素药物没有反应，他们怀疑这可能揭示了哮喘频繁发作的深层原因。王成波说，他们使用的特殊氦气对人体安全，其独特之处在于可以通过激光激化的方法大大增强核磁共振信号。目前这种氦气弥散核磁共振成像技术仍处于试验研究阶段，基本成像成本稍高于普通的核磁共振成像。
技术应用
NMR
NMR技术即核磁共振谱技术，是将核磁共振现象应用于分子结构测定的一项技术。对于有机分子结构测定来说，核磁共振谱扮演了非常重要的角色，核磁共振谱与紫外光谱、红外光谱和质谱一起被有机化学家们称为“四大名谱”。目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C两类原子核的图谱。
核磁共振的特点：①共振频率决定于核外电子结构和核近邻组态；②共振峰的强弱决定于该组态在合金中所占的比例；③谱线的分辨率极高。
早期的核磁共振谱主要集中于氢谱，这是由于能够产生核磁共振信号的1H原子在自然界丰度极高，由其产生的核磁共振信号很强，容易检测。随着傅立叶变换技术的发展，核磁共振仪可以在很短的时间内同时发出不同频率的射频场，这样就可以对样品重复扫描，从而将微弱的核磁共振信号从背景噪音中区分出来，这使得人们可以收集13C核磁共振信号。
近年来，人们发展了二维核磁共振谱技术，这使得人们能够获得更多关于分子结构的信息，目前二维核磁共振谱已经可以解析分子量较小的蛋白质分子的空间结构。
生物学中应用
核磁共振波谱技术用来研究生物大分子有如下特点：
①不破坏生物高分子结构（包括空间结构）。
②在溶液中测定符合生物体的常态，也可测定固体样品，比较晶态和溶液态的构象异同。
③不仅可用来研究构象而且可用来研究构象变化即动力学过程。
⑤可用来研究活细胞和活组织。
在生物学研究中最常用的是1H，13C，31P谱，此外还有15N，19F等。1H谱发展最早，1H在生物体中无所不在，核磁相对灵敏度高，故应用最广，包括用于核磁成像。缺点是含氢基团极多，谱线易重叠而不易解析。碳亦为生物体内重要元素，但12C自旋为零，13C天然丰度低，仅为1.1%，对等数量的核在相同磁场下其灵敏度只及1H的1.6%。其优点是化学位移范围宽，在宽带去耦条件下进行实验，波谱简单，易分辨，随着测定技术及13C标记方法的发展，13C 谱已有极广泛的应用。31P谱常用于活组织测定，观察ATP等含磷化合物的代谢过程，并已用于核磁成像。
NMR在生物学研究中范围很广。主要有：
热力学研究：如测定酶与底物、配基、抑制剂的结合常数；测定可解离基团的 pK值，特别是能测定生物大分子中分处不同微环境的同类残基的同类基团的不同 pK值，这是其他方法所不及的；还可测定相变温度，Δ G等其他热力学参数。
动力学研究：监测反应进程，测定各组分随时间的变化；通过变温实验和线形分析，测平衡过程的动力学常数，包括某些生化反应的反应速率，研究分子间（如酶与抑制剂，DNA与药物）相互作用的动力学过程。
参考资料
[1]
青年人应有大志向 投身科学事业2020-05-07T11:40:43+08:00[引用日期2022-06-23 12:30:14]
