核磁共振论文

核磁共振核磁共振 摘摘 要要 核磁共振成像技术是一项新生的技术 利用稳恒磁场上加入的梯度 磁场 可以在计算机中对磁场中产生核磁共振的原子进行空间定位 从而绘出物体内部的三维图像 使用这项技术 不仅可以无伤害地 对物体内部进行观测 随着科技的进步 还可以用来虚拟现实的事 物 更有效地进行实验 甚至 当周边技术成熟时 还可以虚拟出 人的大脑 并从中提取出灵魂 不过 每一个新的设想的提出到用 实验的证明 往往需要经过一段崎岖的道路 但无论如何 随着历 史巨轮的旋转 科技的进步将把人类带入一个又一个未知的世界 关键词关键词 磁共振 梯度磁场 三维成像 虚拟大脑 灵魂 引言 核磁共振 nuclear magnetic resonance NMR 最初是由美国斯坦福 大学的 Bloch 和哈佛大学的 Purcell 于 1946 年分别在两地同时发现 的 1972 年美国纽约州立大学的 Lauterbur 提出 应用 NMR 信号可 重建图像 1972 年在 Science 杂志上发表论文 NMR 成像技术揭 开序幕 1976 年 Hiushaw 首先实现了手的核磁共振成像 且于 4 年 后推出首台商品机 2004 年美国物理学家首次在二氧化硅晶体内部 成功观测到了单个电子的自旋过程 这项研究成果标志着人类朝着 观测单个原子在物质内部运动的目标又迈出了关键的一步 并且对 包括一些量子计算机在内的所谓旋转粒子装置的研制提供了重要帮 助 专家认为 该研究实现了核磁共振的原子级成像 有望使显微 镜在纳米尺度上对分子内部的立体结构进行观察 1 1 核磁共振成像的基本原理核磁共振成像的基本原理 原子核的核外电子时刻绕核旋转 同时原子核也绕自身中轴不停旋 转 这种原子绕自身中轴的旋转称为自旋 Spin 以氢原子为例 其自旋时 由于受到重力的影响 转动轴与重力方 向会形成倾角 由于外力作用而使原子的自身转动轴绕外力方向回 旋的现象称为进动 氢原子的自旋会产生环行电流 同时感应出磁场 其磁力是一个矢 量 称为磁向量或磁矩 平时 磁矩是任意方向的 如果把氢原子 置于均匀强度的磁场中 大部分原子核会顺着磁场方向排列 而较 少一部分逆磁场方向排列 它们都呈稳定态 由于顺磁场排列的氢 原子多于逆磁场排列的氢原子 在一定空间内就能产生一个平行外 磁场的磁矩 全部磁矩重新定向所产生的磁化向量称为宏观磁向量 一个短的无线电波或射频能量称为 射频脉冲 向稳恒磁场中的 氢原子施加射频脉冲 就相当于向主磁场施加一个旋转磁场 而氢 原子将在旋转磁场中进动 从而使磁矩 M 发生旋转 当射频脉冲停 止作用后 宏观磁向量会逐渐向平衡态恢复 同时释放能量 即产 生 MR magnetic resonance 信号 在稳恒磁场中 接收到的 MR 信 号是一定空间中的全部信号 并不含有空间信息 无法用来成像 而如果在主磁场中再加一个梯度磁场 情况则不同 空间中各部分 的氢原子的进动频率会因磁场强度不同而区分出来 完成空间上的选层后 要想对被选层的质子发出的信号进行空间定 位 还需要借助于与选层梯度垂直的另外两个梯度 频率编码梯 度 frequency encoding gradients Gf 和相位编码梯度 phase encoding gradients Gp Gf 和 Gp 的作用 使选层平面中不同点 或体素 中的质子 MR 信号具有不同的进动频率和不同的进动相位 通过平面上的二次 Fourier 变换 便可实现被选层平面内 MR 信号的 空间定位 达到对被检体某一部分 切面 进行 MR 成像的目的 再 将各部分组合后便可得到被检体内部的氢原子分布的三维图像 2 2 优势及缺陷优势及缺陷 2 12 1 优势优势 1 无电离辐射 2 无界面中断 如空气或骨 3 优良的软组织分 辨力 4 图像分辨力高 并具有精确几何学特性的多平面成像 5 能进行三维空间容积数据采集 6 能测量多项物理或功能参数 包 括自旋密度 迟豫时间 灌注 弥散 血流 温度 化学位移等 2 22 2 缺陷 缺陷 在元素周期表中 只有具有自旋特性的原子核才有产生共振的可能 能产生核磁共振的元素的原则是 这些元素的原子核中 其质子数 或中子数必有一个是奇数 包括如下情况 1 质子或中子之一为奇数 2 质子和中子皆为奇数 3 若质子和中 子数皆为偶数时 此原子核不具有自旋特性 也不可能产生核磁共 振 3 3 实现这一设想要突破三大障碍实现这一设想要突破三大障碍 3 13 1 对核磁共振成像技术及辅助分析技术的高要求对核磁共振成像技术及辅助分析技术的高要求 人脑中约含有 1011 个神经元和数量更多的胶质细胞 神经元与神 经元之间又形成了 1014 个突触 对如此庞大复杂的细胞群进行空 间定位及状态分析 需要一个功能完善且强大的核磁共振成像机器 同时 核磁共振技术本身就存在一个极大的缺陷 并不是所有元素 的原子核都能产生核磁共振 因此 核磁共振技术还得继续完善 且对个体细胞的研究分析还需要有其它先进的周边辅助技术 3 23 2 生物技术与计算机技术的高度配合 生物技术与计算机技术的高度配合 生物细胞是大自然经过上亿年的进化而形成的 要想完全读取其中 的信息得花大量的时间与智力 同时还要把这些信息输入电脑 建 立模型 使之能如同现实般在虚拟世界中运行 需要做到生物技术 与计算机技术的高度配合 进行这样的工作 就仿佛是在向神学习 创世一样 让人感觉神圣 3 33 3 人类伦理的制约 人类伦理的制约 如同克隆人一样 对于 自我 的复制与转移所产生的问题会非常 多而且复杂 人 与 我 之间的界限甚至会变得模糊 如果进 一步上升为法律的制约 那么将是极大的障碍 此外 还有资金 人力 物力及许多不明朗因素等等困难 灵魂世界的展望如果 灵魂的提取实现了 这个世界必然出现一场 巨大的变革 首当其冲的将是人们的哲学观 作为哲学的基础 关于物质与精神的定义将会被动摇 进而得到进一步的发展 同时 一门新的学科会诞生 那将是一门关于灵魂归属及更深层研究的学 科 关于自然形成的自我意识转移是一个非常复杂且难以用实验证 实的理论问题 最基础的一个假设 将一个暂失自我意识的人的大 脑拟进计算机 如果在虚拟世界中运行它 唤醒它 那人的感觉就 像睡醒后发现自己在计算机的虚拟世界中一样 而又如果此后 现 实中的那个人也恢复自我意识 那么虽然他从物质与运作规律上都 与暂失意识前一模一样 但却失去了物质以外的一些东西 灵魂 如果假设成立 这将使人类了解到有物质外的东西存在 总结总结 书本上的物理理论 在常人眼中枯燥乏味 然而它们都蕴藏着一种 巨大的力量 而在这种力量爆发之前 它们应是充满活力的 细细 体味一下 也许我们存在的其中一个使命 也许就是去组合这些理 论 实现它们的使命 参考文献参考文献 1 刑建国 安装核磁共振机的场地要求和检测