核磁共振技术新进步.doc

核磁共振技术的新进 现在，随着科学的不断发展与创新，越来越多的科学技术能够应用到我们的日常生活中，核磁共振这门技术就是这么一门让我们受益匪浅的技术。那么，接下来就来介绍核磁共振这门技术的应用与发展。什么是核磁共振：核磁共振是处于静磁场中的原子核在另一交变磁场作用下发生的物理现象。通常人们所说的核磁共振指的是利用核磁共振现象获取分子结构、人体内部结构信息的技术。并不是是所有原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振现象是因为具有核自旋。原子核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静止外磁场中时产生核进动和能级分裂。在交变磁场作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低的能级跃迁到较高能级。核磁共振频率因核而异，对于同一种核，共振频率与静磁场B0成正比。（核磁共振摄影图） 核磁共振的发展历程： （核磁共振仪）1930年，物理学家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。1973年保罗劳特伯尔开发出了基于核磁共振现象的成像技术(MRI)，并且应用他的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，广泛应用于帕金森氏症、多发性硬化症等脑部与脊椎病变以及癌症的治疗和诊断。2003年，保罗劳特伯尔和英国诺丁汉大学教授彼得曼斯菲尔因为他们在核磁共振成像技术方面的贡献获得了当年度的诺贝尔生理学或医学奖。核磁共振的原理： 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。核磁共振指处于静磁场中的核自旋体系，当其拉莫尔进动频率与作用于该体系的射频场频率相等时，所发生的吸收电磁波的现象。带正电荷的原子核自转时具有磁性，它在磁场的赤道平面因受到力矩作用而发生偏转，其结果是核磁矩绕着磁场方向转动，这就是拉莫尔进动（或拉莫尔旋进）。由于核磁矩有与磁场取向倾于平行的规律，经过一定时间，自旋核不再受到力矩的作用，拉莫尔进动也就停止。如在垂直磁场的方向上加进一个与进动频率相同的射频场，核磁矩便会离开平衡位置，拉莫尔进动又重新开始。核“自转”的速度是不变的，只要磁场强度不变，拉莫尔频率自始至终也不会改变。某一种磁核的磁矩在磁场中可取顺磁场方向（属于低能态），也可取逆磁场方向（属于高能态）。如果在垂直于磁场的方向加进一个射频场，当射频场的频率与原子核的拉莫尔频率相等时，处于低能态的核子便吸收射频能，从低能态跃迁到高能态，此为“核磁共振”现象。当射频中断时，原子核就把吸收的能量释放出来，释放的强度是它们各自特征性的标志，即其正常（健康）状态的一种印记。根据这一原理研制的“核磁共振扫描”（简称NMR），是一种新型的断层显像技术，可用于许多物体结构的测定，如化合物结构高分子化合物结晶度，高分子链立体构型成分，药物成分，生物大分子的结构，药物与生物大分子、细胞受体之间的相互作用，生物活体组织含水量，癌症诊断，人体NMR断层扫描（NMR-CT）等。核磁共振的发展及应用：1，核磁共振成像（Nuclear Magnetic Resonance Imaging，简称NMRI），又称自旋成像（spin imaging），也称磁共振成像（Magnetic Resonance Imaging，简称MRI），台湾又称磁振造影，是利用核磁共振（nuclear magnetic resonnance，简称NMR）原理，依据所释放的能量在物质内部不同结构环境中不同的衰减，通过外加梯度磁场检测所发射出的电磁波，即可得知构成这一物体原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的结构图像。 将这种技术用于人体内部结构的成像，就产生出一种革命性的医学诊断工具。快速变化的梯度磁场的应用，大大加快了核磁共振成像的速度，使该技术在临床诊断、科学研究的应用成为现实，极大地推动了医学、神经生理学和认知神经科学的迅速发展。 物理原理 核磁共振成像是随着计算机技术、电子电路技术、超导体技术的发展而迅速发展起来的一种生物磁学核自旋成像技术。它是利用磁场与射频脉冲使人体组织内进动的氢核（即H+）发生章动产生射频信号，经计算机处理而成像的。原子核在进动中，吸收与原子核进动频率相同的射频脉冲，即外加交变磁场的频率等于拉莫频率，原子核就发生共振吸收，去掉射频脉冲之后，原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以电磁波的形式发射出来，称为共振发射。共振吸收和共振发射的过程叫做“核磁共振”。核磁共振成像的“核”指的是氢原子核，因为人体的约70%是由水组成的，MRI即依赖水中氢原子。当把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，使之共振，然后分析它释放的电磁波，就可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。通过一个磁共振成像扫描人类大脑获得的一个连续切片的动画，由头顶开始，一直到基部。 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，避免了剖胸或剖腹探查诊断的手术。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，因此对人体没有损害。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。对全身各系统疾病的诊断，尤其是早期肿瘤的诊断有很大的价值。 如今全球每年至少有6000万病例利用核磁共振成像技术进行检查。具体说来有以下几点： 1.对软组织有极好的分辨力。对膀胱、直肠、子宫、阴道、骨、关节、肌肉等部位的检查优于CT； 2.各种参数都可以用来成像，多个成像参数能提供丰富的诊断信息，这使得医疗诊断和对人体内代谢和功能的研究方便、有效。例如肝炎和肝硬化的T1值变大，而肝癌的T1值更大，作T1加权图像，可区别肝部良性肿瘤与恶性肿瘤； 3.通过调节磁场可自由选择所需剖面。能得到其它成像技术所不能接近或难以接近部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可作矢状面、冠状面、横断面成像，可以看到神经根、脊髓和神经节等。不像CT只能获取与人体长轴垂直的横断面； 4.对人体没有氢（1H）、碳（13C）、氮（14N和15N）、磷（31P）等。 MRI的缺点及可能存在的危害 虽然MRI对患者没有致命性的损伤，但还是给患者带来了一些不适感。在MRI诊断前应当采取必要的措施，把这种负面影响降到最低限度。其缺点主要有： 1.和CT一样，MRI也是解剖性影像诊断，很多病变单凭核磁共振检查仍难以确诊，不像内窥镜可同时获得影像和病理两方面的诊断； 2.对肺部的检查不优于X射线或CT检查，对肝脏、胰腺、肾上腺、前列腺的检查不比CT优越，但费用要高昂得多； 3.对胃肠道的病变不如内窥镜检查； 4.扫描时间长，空间分辨力不够理想； 5.由于强磁场的原因，MRI对诸如体内有磁金属或起搏器的特殊病人却不能适用。 MRI系统可能对人体造成伤害的因素主要包括以下方面： 1.强静磁场：在有铁磁性物质存在的情况下，不论是埋植在患者体内还是在磁场范围内，都可能是危险因素； 2.随时间变化的梯度场：可在受试者体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉。外周神经兴奋是梯度场安全的上限指标。在足够强度下，可以产生外周神经兴奋（如刺痛或叩击感），甚至引起心脏兴奋或心室振颤； 3.射频场（RF）的致热效应：在MRI聚焦或测量过程中所用到的大角度射频场发射，其电磁能量在患者组织内转化成热能，使组织温度升高。RF的致热效应需要进一步探讨，临床扫描仪对于射频能量有所谓“特定吸收率”（specific absorption rate, SAR）的限制； 4.噪声：MRI运行过程中产生的各种噪声，可能使某些患者的听力受到损伤； 造影剂的毒副作用：目前使用的造影剂主要为含钆的化合物，副作用发生率在2%-4%。 MRI在化学领域的应用MRI在化学领域的应用没有医学领域那么广泛，主要是因为技术上的难题及成像材料上的困难，目前主要应用于以下几个方面： 在高分子化学领域，如碳纤维增强环氧树脂的研究、固态反应的空间有向性研究、聚合物中溶剂扩散的研究、聚合物硫化及弹性体的均匀性研究等； 在金属陶瓷中，通过对多孔结构的研究来检测陶瓷制品中存在的砂眼； 在火箭燃料中，用于探测固体燃料中的缺陷以及填充物、增塑剂和推进剂的分布情况； 在石油化学方面，主要侧重于研究流体在岩石中的分布状态和流通性以及对油藏描述与强化采油机理的研究。 编辑磁共振成像的其他进展 核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线特征参数（如谱线宽度、谱线轮廓形状、谱线面积、谱线位置等）的测定来分析物质的分子结构与性质。它可以不破坏被测样品的内部结构，是一种完全无损的检测方法。同时，它具有非常高的分辨本领和精确度，而且可以用于测量的核也比较多，所有这些都优于其它测量方法。因此，核磁共振技术在物理、化学、医疗、石油化工、考古等方面获得了广泛的应用。 诺贝尔获奖者的贡献 2003年10月6日，瑞典卡罗林斯卡医学院宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国化学家-zh-tw:保罗劳特伯;zh-cn:保罗劳特布尔-（Paul C. Lauterbur）和英国物理学家彼得曼斯菲尔德（Peter Mansfield），以表彰他们在医学诊断和研究领域内所使用的核磁共振成像技术领域的突破性成就。 -zh-tw:劳特伯;zh-cn:劳特布尔-的贡献是，在主磁场内附加一个不均匀的磁场，把梯度引入磁场中，从而创造了一种可视的用其他技术手段却看不到的物质内部结构的二维结构图像。他描述了怎样把梯度磁体添加到主磁体中，然后能看到沉浸在重水中的装有普通水的试管的交叉截面。除此之外没有其他图像技术可以在普通水和重水之间区分图像。通过引进梯度磁场，可以逐点改变核磁共振电磁波频率，通过对发射出的电磁波的分析，可以确定其信号来源。 曼斯菲尔德进一步发展了有关在稳定磁场中使用附加的梯度磁场理论，推动了其实际应用。他发现磁共振信号的数学分析方法，为该方法从理论走向应用奠定了基础。这使得10年后磁共振成像成为临床诊断的一种现实可行的方法。他利用磁场中的梯度更为精确地显示共振中的差异。他证明，如何有效而迅速地分析探测到的信号，并且把它们转化成图像。曼斯菲尔德还提出了极快速的梯度变化可以获得瞬间即逝的图像，即-zh-tw:面回讯成像;zh-cn:平面回波扫描成像-（echo-planar imaging, EPI）技术，成为20世纪90年代开始蓬勃兴起的功能磁共振成像（functional MRI, fMRI）研究的主要手段。 雷蒙德达马蒂安的“用于癌组织检测的设备和方法”值得一提的是，2003年诺贝尔物理学奖获得者们在超导体和超流体理论上做出的开创性贡献，为获得2003年度诺贝尔生理学或医学奖的两位科学家开发核磁共振扫描仪提供了理论基础，为核磁共振成像技术铺平了道路。由于他们的理论工作，核磁共振成像技术才取得了突破，使人体内部器官高清晰度的图像成为可能。 未来展望 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的脑功能成像则有助于我们在活体和整体水平上研究人的思维。其中，关于盲童的手能否代替眼睛的研究，是一个很好的样本。正常人能见到蓝天碧水，然后在大脑里构成图像，形成意境，而从未见过世界的盲童，用手也能摸文字，文字告诉他大千世界，盲童是否也能“看”到呢？专家通过功能性MRI，扫描正常和盲童的大脑，发现盲童也会像正常人一样，在大脑的视皮质部有很好的激活区。由此可以初步得出结论，盲童通过认知教育，手是可以代替眼睛“看”到外面世界的。 快速扫描技术的研究与应用，将使经典MRI成像方法扫描病人的时间由几分钟、十几分钟缩短至几毫秒，使因器官运动对图像造成的影响忽略不计；MRI血流成像，利用流空效应使MRI图像上把血管的形态鲜明地呈现出来，使测量血管中血液的流向和流速成为可能；MRI波谱分析可利用高磁场实现人体局部组织的波谱分析技术，从而增加帮助诊断的信息；脑功能成像，利用高磁场共振成像研究脑的功能及其发生机制是脑科学中最重要的课题。有理由相信，MRI将发展成为思维阅读器。 20世纪中叶至今，-zh-cn:信息技术;zh-tw:资讯科技-和生命科学是发展最活跃的两个领域，专家相信，作为这两者结合物的MRI技术，继续向微观和功能检查上发展，对揭示生命的奥秘将发挥更大的作用。（全球首款兼容核磁共振检查的心脏起搏器）核磁共振在生物医学上的发展趋势：（核磁分析报告）二维核磁共振及多维核磁和共振二维核磁共振的脉冲序列：二维核磁共振使NMR技术产生了一次革命性的变化，它将挤在一维谱中的谱线在二维空间展开（二维谱）,从而较清晰地提供了更多的信息。二维谱示意图：2D在研究更大分子体系时，谱线也出现了严重的重叠，为了解决这一问题，人们将2D推广到3D甚至多维。n 核磁共振的应用作为测定原子的核磁距和研究核结构的直接而又准