拍核磁,究竟拍的是什么?

如今,当我们走进医院,一定能感受到核医学技术无所不在:X射线成像、CT成像、磁共振成像、各种放射治疗技术等为我们的健康保驾护航,也极大地促进了现代医学的发展。

我们通常听到的“拍核磁”,其实就是磁共振成像(MRI),又叫核磁共振成像。自1937年,拉比(IsadorIsaacRabi)发现核磁共振的现象开始,磁共振技术在随后的几十年中迎来了飞速发展,如今已成为临床检查和诊断中必不可少的设备。在整个磁共振技术的发展中,一共有6次诺贝尔奖诞生。

图1IsadorIsaacRabi(1898-1988)因发现核磁共振现象获得了1944年的诺贝尔奖。图源|researchgate

拍核磁,究竟拍的是什么?磁共振设备是如何得到我们身体内组织结构的影像的呢?我们可以从“核”、“磁”、“共振”、“成像”这几个部分去理解。

01

核磁共振成像的“核”

我们知道人体是由原子构成的,而原子中包含了原子核和核外电子。核磁共振的“核”其实就是原子核。原子核的类型有很多种,每一种原子核都可以进行核磁共振成像吗?当然不是,只有磁性原子核才可以进行核磁共振成像。

原子核的磁性来源于原子核的磁矩,而原子核的磁矩又源于原子核有自旋角动量。我们可将原子核视为一个球体,所有的磁性原子核都具有一个特征,那就是绕着自己的轴高速旋转,我们把原子核的这一特性称之为自旋(Spin)。

简单来讲,原子核内的质子和中子的数目决定了原子核是否为磁性原子核。若原子核内的质子数和中子数均为偶数,则这样的核不能自旋产生核磁,是非磁性核,反之则为磁性原子核。

由于原子核表面带正电,磁性原子核自旋就会产生环电流,从而产生具有一定大小和方向的磁化矢量。我们把这种由磁性原子核自旋产生的磁场称为核磁。

图3我们可以把原子核想象成一个球体。原子核表面的正电荷高速旋转产生环电流,环电流进而会产生一定大小和方向的磁化矢量。图|李佳昕

即便如此,我们的身体中仍然有较多的磁性原子核,选择什么样的磁性原子核来进行我们人体的磁共振成像呢?

表人体内常见的磁性原子核数据源|《磁共振成像技术指南---检查规范,临床策略及新技术应用》

如上表所示,氢原子核在人体内含量最高,而且磁化率也是最高的,所以我们一般用氢原子核进行磁共振成像。因此,拍核磁,拍的就是“氢原子核”,也可以被称为“质子”(因为氢原子核里没有中子,只有一个质子)。

人体内的氢原子核主要来自于三类化合物——水、脂肪、蛋白质,但是蛋白质内的氢原子核一般没有MRI信号,所以人体中的MRI信号主要来自于水,部分组织中的信号也来自于脂肪。

02

核磁共振成像的“磁”

既然我们身体中的氢原子核都具有核磁,我们每个人身体里数以亿万计的氢原子核都会产生磁场,我们为什么没有成为万磁王?

这是因为我们身体中的氢原子核具有无序性,各个方向的磁化矢量相互抵消,所以宏观上我们是不具有磁性的。

那么,如何观测身体内的磁共振信号呢?

每一个氢原子核产生的磁场类似于一个小磁针,会在磁场中受到力的作用而偏转。如果我们外加一个主磁场,由于磁场中力的作用,氢原子核产生的磁化矢量就会与主磁场方向平行同向或者平行反向。

与主磁场平行同向的质子,不需要对抗主磁场的作用而处于低能级;与主磁场平行反向的质子,需要对抗主磁场的作用而处于高能级。低能级的质子略多于高能级的质子,整体在宏观上表现为与主磁场同向的磁化矢量。

图5A,体内质子在无磁场的作用下,每个质子的磁化矢量都处于不同方向;B,当人体处于外磁场中,在外磁场作用下,体内质子的磁化矢量就会朝向两个方向。图|俞博毅

这就像是在操场军训的学生,中场休息时,大家原本在随意活动。但是,当听到教官的口令“面向阳光和背向阳光,站成两排”时,同学们就会马上站成两排。由于难以忍受刺眼的阳光,更多的同学本能地会站在背向阳光的那排。

需要注意的是,在磁场中的氢原子核,并不是完全与主磁场方向平行,而是存在一定的角度。因此氢原子核在主磁场中除了自旋外,还会绕着主磁场方向的轴进行转动,其运动的方式就像地上倾斜的陀螺一样。我们把这种运动叫做拉莫尔进动(Larmorprocession)。

拉莫尔进动的频率ω可以用以下的公式描述:

其中γ是原子核的磁旋比,一般是一个常数;B为主磁场强度。氢原子核的磁旋比为42.5MHz/T。

03

核磁共振成像的“共振”

提到共振,大家很容易能想到初中学过的声音的共振。声音共振的条件是声波与音叉的振动频率一致,类似的,核磁共振的条件是外加的射频脉冲与质子的拉莫尔进动频率一致。

前面讲到,在磁场的作用下,宏观上体内质子产生与主磁场相同的磁化矢量(Mz),微观上其实是处于不同能级的质子数量不同,而这种能级的分裂只有磁场存在时才会产生。

就像给背向阳光的同学一顶遮阳帽,让他也站到面向阳光的那一排去,当我们施加一个与质子进动频率一致的射频脉冲,则低能级的质子会发生共振、吸收射频能量而跃迁到高能级,此时高能级质子数量逐渐增多。

当高能级质子与低能级质子数量一致时,磁化矢量相互抵消,则质子在宏观上表现为主磁场方向的磁化矢量为0(如图7左侧下所示)。

但与此同时,由于射频的聚相位效应,会把XY方向的磁化矢量聚集到一起产生XY平面的宏观磁化矢量,绕磁场转动。这个聚相位作用,就像我们的五个手指本来是张开的,五个手指处于各个方向,如果每个手指代表一个力,则合力为零;当我们将手指合拢,则合力方向就是五个手指聚拢的方向。(如图7右侧下所示)

04

核磁共振成像的“成像”

当我们撤去射频脉冲,则高能级的质子又会逐渐回到低能级。宏观上就表现为纵向磁化矢量的逐渐恢复(纵向弛豫,图8)和横向磁化矢量的逐渐衰减(横向弛豫,图9)。

由于人体内组织含氢原子核的数量不同,氢原子核所处的化学环境不同,所以纵向和横向弛豫的过程不一样,相应的,磁化矢量恢复的时间也就不同。

因此,通过设置MRI序列,我们就可以采集到组织的信号。不同组织的MRI信号强度不同,我们就能得到体内组织的对比图像。

我们是如何采集磁共振信号的呢?其实非常简单,高中物理课告诉我们“磁感线切割线圈会产生电流”,因此,用旋转的XY方向的磁化矢量去切割线圈就能得到磁共振产生的电信号,进而运用数学方法对电信号进行转换,就能获得磁共振图像了。

本文为近代物理所首届“科学与艺术”科普作品创作大赛获奖作品,得到了“全国中小学生研学实践教育基地”项目的支持(近代物理所于2018年入选全国中小学生研学实践教育基地)。

作者|俞博毅李佳昕

指导老师|陈卫强

|刘芳

 


posted @ 22-05-04 01:12  作者:admin  阅读量:
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