核磁共振原理

序需 要而每個階段含水量不同，可以採用脈衝NMR方法來迅速檢測其中水份的含量。其製造過程首先用水粹 取糖，含水量大約有90%，然後經過壓榨，水含量約80%，最後加入糖蜜，乾燥後其所含水量約12%。在最後階段含水量較少(約12%)，可以採用最簡單的90度脈衝NMR方法。這個方法基本上認為在取訊號之 前，固體之弛緩衰褪訊號已完全消失，只有液體之訊號，因此可以由單位重量樣品內質子之自由感應衰褪 訊號對時間作圖(參看圖七)，再出圖八之校正曲線可以求得樣品含水量。由圖八中以已知含水量百分比的 樣品與其所測得訊號(v/g)作圖，在7.5%到15%幾乎成一直線的關係，所以此方法非常適用於最後階段含水 量較少的過程。在最初過程含水量有90%，則採用上法不適用，因而採用90度－180度脈衝序列(Pulse-sequence)在時間2t偵測，如圖九。利用已知水含量百分比樣品對回響訊號得校正曲線，則可得知未 知樣品之水含量百分比(參看圖十)。或採用100個Carr-Purcell脈衝序列所得回響的訊號對時間作圖，可以 由其斜率求得自旋-自旋弛援速率l/T2(參看圖十一)。然後可出已知水的含量百分比之樣品對弛緩速率作圖， 得一條校正曲線(見圖十二)，則可得知未知樣品之水含量百分比。 以上這二位方法，操作簡便，只要有桌上型脈衝NMR光譜儀及已設計好的脈衝程式在工廠中，隨時 可測得各個過程中之含水量，在一兩分鐘內，便可得到所需的分析資料。 (b)下面介紹一種迅速分析稻米中吸收的水份，水分子中的氫核，因水分子運動較稻米成份帶氫核分 子之運動來得快，因此水分子氫核弛緩慢而稻米成份氫核弛緩較快(FID衰減較快)，所以可由簡單脈衝來區分不同情況的氫核(參看圖十三a、b)，因為NMR的方法是非破壞性的，因此應用在稻穀的選擇是方便可行 的方法。 (c)擴散係數之測定，利用質子的自旋一回響方法(spin echo method)可以測量擴散係數(diffusion coefficient)，因質子之公轉角頻率與外加磁場成正比，若在外加磁場下，其磁場有一線性梯度，則由於擴散 作用，當質子妓散到不同的位宣，便感受到不同的外加磁場，也就使得質子的運動頻率隨之改變，因而使 自旋一回響之同相受擴散作用的影響，因角頻率不同而去相，故此可以由自旋一回響振幅對時間作圖和均 勻磁場下的自旋一回響相比較，可以測出樣品之擴散係數。 但此方法有一缺點，對於擴散係數較慢的樣品，需增加其磁場梯度，但磁場梯度增加時公轉頻率變化 大，自旋回響變快，若此樣品之擴散慢時，分子擴散在自旋回響衰褪時間內尚未被觀察得到，便無法測得 此樣品的擴散係數。最近採用脈衝磁場梯度(Pulsed magneticfield gradient)隨時間改變磁場梯度的方法(以脈衝加入shim coil內造成梯度變化)，此即是利用脈衝磁場梯度測量擴散係數，主要的優點是磁場梯度和產生 自旋一回響的脈衝並非同時，故磁場梯度之強度可以增加，對於較小擴散係數的樣品即可偵測，其次因為 僅在某段時間擴散作用自旋一回響有影響，時間明確，使測量更精確。 (d)核磁共振在醫學診斷之應用 首先我們利用自旋一回響之脈衝弛緩共振可以檢查並區別惡性腫瘤。(malignant tumors)與一般正常組織(normal tissue)，因為在惡性組織內其細胞內液(intracelluler water)之秩序度減少了，因而運動較快，T1較長，R. Damadian做一系列實驗，例如以肝癌(hepatoma)其T1為0.826秒，T2為0.118秒，但正常肝臟(normal liver)，則T1為0.293秒，T2為0.050秒，因此可以初步判斷組織是否正常，若再使用核磁共振攝影方法4配上表面線圈的應用，則可以看到異常之部份影像，增進診斷之準確性。 (e)利用氫核磁共振當液體層析之感測器 自從1951年Suryan、Forsen、Rupprecht提出，核磁共振當感測器在流動系統比靜相系統所測訊號強 度增加5倍，主要的原因是流動液體，可以使已飽和自旋樣品流出，而流入新的未飽和自旋的部份，因此 控制流速是相當重要的，例如甲醇(純的)在298oK時T，為9.0秒，需控制流速，使其在感測器的滯留時間 比T1短，便可增加無線電波強度，使吸收訊號增加。H-NMR當做高效能液體層析儀的感測器，可得到更 多的資料。 結論 核磁共振光譜圖可以提供詳細資料，如化學位移、自旋－自旋間耦合、T1、T2等，尤其是利用多重脈衝傅立葉核磁共振，不但可以做一般核磁共振光譜圖，且可以做局部光譜固及二維核磁共振，在二個座標 上顯示所需的資料，對於化合物的鑑定，提供有力的證據，更由於固體核磁共振、核磁共振攝影術之發展， 深入到各個層面，成為研究上的一個重要工具。 更重要的是其能量差落在無線電磁波的範圍 核磁共振原理 核磁共振 (NMR) 仪器可以直接控制并探测原子核的运 动。 自然界中的一种现象，即原子核磁共振——一种众所周知的响亮名字！但这是科学，名 核可以吸收强磁场中存在的一称不是为了听起来悦耳。 请看以下词汇： 定频率的电磁辐射。艾西德?艾 - 指由质子和中子组成的原子核，或仅有一个质萨克?瑞白 (Isidor Isaac 子的氢核。 Rabi)，一位出生于澳大利亚的 美国物理学家（1898 － - 受磁场控制的核子运动。 1988），于 1938 年最先发现 - 我们利用共振来有效地操纵磁场内的原子核。 磁共振现象。从那时起，磁共 振开始被用于轻原子的探测 （例如碳氢化合物中的氢原 许多原子核（并非全部）可被视为很小的条形磁子），并成为一种研究人体的 铁，都有磁北极和磁南极。 原子核以南北磁极非破坏性方式。 连线为轴，以恒定速率旋转。 同义字： NMR，核磁共振 旋转条形磁铁在自然界中相当普遍。单个的铁原 源自 Schlumberger 油田服务子、地球、太阳、多个行星和中子星等都属于旋 转条形磁铁。与原子核相比，地球的地理北极（旋油田术语表 转轴）与北磁极并不完全重合，所以它是比较复杂的旋转 条形磁铁。原子核的运转情况要好得多： 它们的磁极与地理磁极恰好重合。 由单个质子组成的氢核具有磁性，而且它还是水、天然气和石油的重要组成成分。由于人类正在寻 找碳氢化合物，所以对这些原子核尤为关注。 通常，原子核的北极可以指向任意方向，如无外界干涉，它们的指向则 没有限制。核磁共振测量法的第一步是通过放置一块大型磁铁来形成一 个强磁场，然后将原子核磁体置于其中，使其按一定方式排列。这将使 原子核排列成行，北极指向外部磁体的南极。磁性原子核很乐于被磁场 重新排列。这会使它们处于一种舒适的状态，物理学家称之为平衡或低 能。这就象是一个小孩懒洋洋地坐在操场的秋千上，哪儿也不想去。这儿就是他最开心的地方。 排列手掌上的原子核。所需材料：(1) 一个吸在冰箱上的磁性物件；（2）您的手掌。操作步骤：将磁铁置于手上。大功告成！ 操作实在是太简单不过了。 核磁共振测量法的第二步是让物体移动。 这是通过另一磁场来完成的，而不是与原子核运动产生 共振的那个磁场。 片刻以后，原子核开始倾斜并名为 B1 的振荡磁场垂直于永 在垂直于 B0 磁场的平面内旋磁体 B0 的磁场。 转。 这就象是前面说的那个荡秋千的懒小孩一样，推动着他，但不必太用力。每次他接近弧顶并向前荡 时，轻轻地推一下。这种被称为共振的轻轻推动可以增强规律性的往复运动。原子核的运动亦是如 此。 为使它们不指向大磁体，必须对其施加外力。 由于原子核是旋转的，所以其运动方式很象陀螺仪或玩具陀螺。 当陀螺仪或玩具陀螺笔直指向地球的重力场时，它只是旋转。 如果它与重力场呈某一角度，就会做一种称为"旋进"的轨道运 动。 旋进速度（远低于旋转速度）取决于陀螺仪的大小和形状， 它的旋转速度及重力。 当原子核偏离强磁场的方向时，它也做"旋进"运动。旋进速度取 决于原子核的属性（旋转速率等）以及磁场强度 - 这与陀螺仪 很类似。这些属性是保持不变的，所以只需知道磁场强度就可 以准确得出旋进频率。也就是必须施加给原子核的推动频率，以使其偏离主磁场，产生旋进运动。 推力来自第二个磁场，该磁场的时间变化率与旋进速率相等 - 即可以与原子核运动产生共振。 （核...磁...共振——是不是初具雏形了？） 在前面那个荡秋千示例中，停止施加外力后，秋千在一段时间内仍将继续摆动。原子核也一样。 它们所需要的只是一次持续 10 微秒（没错，是微秒）的快速无线电脉冲，即可使其维持长达数秒（没 错，是秒）的运动。 ...哪种周期性变化的磁场可以在相等的时间间隔内对原子核施加外力？无线电传 输。因为核磁共振设备具有与无线电台同样的电路板。 某些核磁共振设备甚至使用与 FM 无 线广播相同的频率，在 88 至 108 兆赫之间（每秒循环 88 至 108 兆次）。 即使您闭上眼睛，也能知道秋千还在摆荡。为什么？原来秋千上的小孩在大声喊叫个不停。 这一次，磁性原子核的情形仍与此非常类似。只要它们脱离大磁场中的队列，或者说，不再保持平 衡状态，它们会辐射出无线电波。每个原子核都象一个很小的无线电台。并且毫无疑问，核磁共振 设备的一部分是一个无线电接收器，在原子核移动时，可以捕捉到它们发出的信号。最早的核磁共 振设备是二战时与雷达站一同建造的，在一套设备里，既有无线电发射机，又有接收机。 在前面那个荡秋千示例中，停止施加外力后，秋千在一段时间内仍将继续摆动。但秋千上的小孩很 不舒服。他不再保持平衡，而处于一种高能状态。这不是他的本性。由于各方面原因（与空气的摩 擦，秋千与支撑结构连接处的摩擦），一段时间后秋千会逐渐慢下来。但秋千上的小孩想尽快进入 驰豫状态，于是他稍微收腿，让自己减速，直至他再次可以舒舒服服地坐在那里。 原子核非常象这个小孩。通过无线电波可以让它运动，在无线电发射机停止发射后的一段时间内， 它仍可继续运动，但不是最佳状态。 在核磁共振设备中，它会在永久磁场的导向下，找到一种方 法逐渐回到平衡状态。 但还有一个问题。原子核并没有脚。 它 们如何减速？ 有多种方法可使原子核失去能量返回平 衡状态。对于原子核处于液体分子（如 水）的情况，一种途径就是撞击固体表 面。每次分子撞击固体表面时，原子核 都有机会返回到沿强磁场方向的平衡排 列状态。 这就是...驰豫。 您看，即便 是原子核也喜欢驰豫。 在较大的孔隙里，液体分子有更多的空间移动而不会撞上孔壁，所以碰撞频率非常小。在岩石里， 核磁共振驰豫取决于孔隙的尺寸：孔隙越大，核磁共振驰豫的时间越长。 核磁共振对孔隙尺寸的灵敏度有两项简单但功能强大的 应用。第一就是由孔隙尺寸决定的渗透性。更确切地说， 渗透性与孔隙直径的平方成正比，所以人们希望它与核磁 共振驰豫的平方也成正比。通过对数百种不同的岩石进行 实验室测试，证明确实存在这种关系。 核磁共振数据的第二项应用是确定孔隙尺寸的分布。由于 在单个岩石内孔隙的尺寸变化很大，因此分布范围很广。 通过孔隙尺寸分布，地质学者可以得出大量有关岩石的信 息——远胜于在显微镜下进行观察。 ... 排列、干扰、驰豫是核磁共振的基本。但就象所有科学领域一样，这只是一个庞大、复杂且有 趣的故事的开头。数名科学家已经因为在某些细节方面的研究而获得了"诺贝尔奖"。 作者： 张立 博士 北京大学第三医院骨科 副主任医师 娄思权 教授 北京大学第三医院骨科 主任医师 核磁共振成像术又叫磁共振成像术，简称核磁共振、磁共振或核磁，是80年代发展起来的一种全新的影像检查技术。它的全称是：核磁共振电子计算机断层扫描术(简称MRI--CT或者MRl)。什么是核磁共振成像技术呢?简单地说，就是利用核磁共振成像技术(英文简写MRI、MR或NMR，法文简写RMN)进行医学诊断的一种新颖的医学影像技术。核磁共振是一种物理现象，早在1946年就被美国的布劳克和相塞尔等人分。别发现，作为一种分析手段广泛应用于物理、化学等领域，用作研究物质 的分子结构。直到1971年，美国人达曼迪恩才提出，将核磁共振用于医学的诊断，当时，未能被科 学界所接受。然而，仅仅10年的时间，到1981年，就取得了人体全身核磁共振的图像。使人们长 期以来，设想用无损伤的方法，既能取得活体器官和组织的详细诊断图像，又能监测活体器官和组织 中的化学成分和反应的梦想终于得以实现。 核磁共振完全不同于传统的X线和CT，它是一种生物磁自旋成像技术，利用人体中的遍布全身的氢 原子在外加的强磁场内受到射频脉冲的激发，产生核磁共振现象，经过空间编码技术，用探测器检测 并接受以电磁形式放出的核磁共振信号，输入计算机，经过数据处理转换，最后将人体各组织的形态 形成图像，以作诊断。 核磁共振所获得的图像异常清晰、精细、分辨率高，对比度好，信息量大，特别对软组织层次显示得 好。使医生如同直接看到了人体内部组织那样清晰、明了，大大提高了诊断效率。避免了许多以往因 手术前诊断不明而不得不进行的开颅、开胸、开腹探查及其他的一些探查诊断性手术，使病人避免了 不必要的手术痛苦以及探查性手术所带来的副损伤及并发症。所以它一出现就受到影像工作者和临床 医生的欢迎，目前已普遍的应用于临床，对一些疾病的诊断成为必不可少的检查手段。 核磁共振提供的信息量不但大于医学影像学中的其他许多成像术，而且不同于已有的成像术，它是一 项革命性的影像诊断技术。因此，它对疾病的诊断具有很大的潜在优越性。 80年代美国政府开始批准核磁共振机的商品化生产，并开始临床应用。我国从1985年引进第1台核磁共振机至今已有超过1000台在工作，目前医生们越来越认识到它在诊断各种疾病中的重要作用， 其使用范围也越来越广泛。 核磁共振原理 已知核磁矩在外磁场的作用下旋进，可以求得其旋进角速度为，若再在垂直于的方向 加一个频率在射频范围的交变磁场 B (如图4所示)，当其频率与核磁矩旋进频率一致时，便产生共振 吸收；当射频场被撤去后，磁场又把这部分能量以辐射形式释放出来，这就是共振发射。这共振吸收 和共振发射的过程称为。 由于相邻两个能级对应的核自旋磁量子数的改变量 ， 因而只有在相邻两个能级间的跃迁才是允许的。于是，交变磁场的频率所对应的 能量应等于相邻子能级的能量差，由(3)式可得，所以发生核磁共振的条件应是 （4） 即 利用量子力学的理论不仅能够算出共振频率，而且能够算出对于不同频率的净吸收能量，从而确定吸 收曲线的形状。净吸收能量取决于两个能级之间的跃迁概率和处于每个能级的粒子数目，详细的计算 方法这里不再讨论。在核磁共振中经常要考虑氢核即质子的共振。例如，质子在外磁场中，由磁矩平 行于的态跃迁到反平行于的态，，于是共振频率，当 。这一频率落在微波范围，波长约7m。 实现核磁共振，既可以保持磁场不变而调节入射电磁波的频率，也可以使用固定频率的电磁波照射， 而调节样品所受的外磁场。图5是调磁场核磁共振示意图，其装置由四部分组成： (1) 永磁铁，用来产生强大的外磁场，仪器产生的场强为1.4 T。 (2) 扫描线圈，用于使外磁场作微小振荡，从而使我们能在示波器上看到尖锐的共振峰。 (3) 射频振荡器，它用于产生固定频率的电磁辐射，通常频率 ，这个辐射的磁 场起 的作用。 (4) 探测器，用于探测从振荡器中吸收的能量。 图6是调频率核磁共振示意图，样品(如水)装在小瓶中置于磁体两极之间，瓶外绕以线 圈，由射频振荡器向它输入射频电流。这电流就向样品发射同频率的电磁波，其频率大致与 外磁场对应的频率相等。为了精确地测定共振频率，就用一个调频振荡器使射频电磁波 的频率在共振频率附近连续变化。当电磁波频率正好等于共振频率时，射频振荡器的输出就 出现一个吸收峰，它可以从示波器上看出，同时由频率计数器读出此共振频率。