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。
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。
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。
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?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”。
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。
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。
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和横向磁化矢量的逐渐衰减。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。
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。