拍核磁，究竟拍的是什么？

Struggle

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

图2 核磁共振成像技术的发展 图| 俞博毅
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。
Part.1
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。
Part.2
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？

图4 万磁王是漫威漫画公司旗下的超级反派，他可以控制任何形式的磁场。图源| 百度百科
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5 A,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（Larmor procession）。

图6 自旋的质子在磁场中像陀螺一样进动。图|李佳昕
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。
Part.3
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）

图7 在磁场作用下，氢原子核能级分裂，并在射频脉冲作用下发生核磁共振，产生能级跃迁。图| 俞博毅
Part.4
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）。

图8 纵向磁化矢量逐渐恢复 图| 李佳昕

图9 横向磁化矢量逐渐衰减 图| 李佳昕
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。
参考文献:
[1] 俎栋林，高家红. 核磁共振成像—-物理原理和方法. 北京：北京大学出版社, 2014. 9.
[2] 杨正汉，冯逢，王霄英. 磁共振成像技术指南——检查规范，临床策略及新技术应用. 北京：人民军医出版社, 2010.
[3] Breneman, B. History, Physics, and Design of Superconducting Magnets for MRI. Emagres 8, 137-156.
[4] Collins, J. The history of MRI. Semin. Roentgenology 43, 259-260.
来源：中科院近代物理所
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