2003年诺贝尔生理学或医学奖

核磁共振成像技术              ——2003年诺贝尔生理学或医学奖 摘要：瑞典卡罗林斯卡医学院2013年10月6日宣布，2003年诺贝尔生理学或医学奖授予美国科学家保罗·劳特布尔（Paul C Lauterbur）和英国科学家彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield),以彰他们在核磁共振成像技术（nuclear magnetic resonance imaging, NMRI）的贡献。核磁共振成像技术现已在医学诊断和研究中广泛应用，具有重要意义。由于核磁共振成像技术容易误解，故称之为磁共振成像技术（magnetic resonance imaging MRI）。 关键词：2003年诺贝尔医学或生理学奖·核磁共振成像技术 一、 保罗·劳特布尔和彼得·曼斯菲尔德 1、 Paul C Lauterbur 1929年,保罗·劳特布尔生于美国伊利诺斯州的厄巴纳小城；1951年获凯斯理工学院物理学士学位,；1962年获费城匹兹堡大学化学博士学位；1963-1984年,保罗· 劳特布尔作为化学和放射学系教授执教于纽约州立大学石溪分校,并致力于核磁共振光谱学及其应用的研究，并且还把核磁共振成像技术推广应用到生物化学和生物物理学领域；1985 年至今, 保罗·劳特布尔担任美国伊利诺伊大学生物医学核磁共振实验室主任。 1973年,保罗·劳特布尔发现, 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，可以确定其信号来源。 2、Peter Mansfield 1933年Peter Mansfield出生于英国伦敦；1959年获得伦敦大学玛丽女王学院理学学士；1962 年获伦敦大学物理学博士学位；1962-1964年担任美国伊利诺伊大学物理系助理研究员,1964年到英国诺丁汉大学物理系担任讲师, 现为该大学物理系教授。 彼得·曼斯菲尔德进一步验证和改进了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。 二、 核磁共振成像技术的原理与 1、 核磁共振 核磁共振是在外磁场作用下，电磁波与原子核相互作用的一种核物理现象。原子是由电子和原子核组成的。原子核带正电,它们可以在磁场中旋转，发生自旋运动，从而产生磁矩。于是可以像小磁铁一样在外磁场中排列。其排列方向取决于原子核本身的能量状态:能量低(L-state)时与(外)磁场正向;能量高(H-state)时与(外)磁场反向。 具有磁矩的原子核能够发生核磁共振吸收, 其大小不仅与原子核本身有关, 而且与所受的磁场强度有关。不同原子核(即使是同位素原子核)的特征核磁共振吸收峰(核磁共振信号) 相差很大。通常一次观察中只能得到某特定核的核磁共振信号, 例如氢核、碳核等, 而不能同时得到所有原子核的NMR 信号。同一种原子核, 若其所处化学环境不同, 其实际受到的磁场作用亦不同, 即磁场强度的大小是不同的。因此其特征核磁共振吸收峰亦发生变化, 这被称为化学位移。 2、磁共振成像技术 在磁场中旋转的原子核有一个特点,即可以吸收频率与其旋转频率相同的电磁波, 使原子核的能量增加, 当原子核恢复原状时, 就会把多余的能量以电磁波的形式释放出来。这一从高能状态恢复到平衡状态所需的时间被称为弛豫时间。其中沿静磁场方向纵向磁化恢复所需的时间为纵向弛豫时间(T1), 而横向磁化衰减所需的时间为横向弛豫时间(T2), 人体组织器官及病理组织具有不同的T1、T2值, 而磁共振成像技术的基础正是利用了人体组织间存在的弛豫时间的差异。 3、 磁共振成像技术在医学和生命科学中的应用 要实现MRI在医学和生命科学中的应用需要注意两个要素： （1）空间的差异性，即反映出不同环境和不同位置的差异。核磁共振成像的目的就是通过原子核的共振吸收而得到体内组织的影像。人体中水分含量约占体重的2/3。而且水分含量在人体组织和器官中是不同的。在许多疾病中, 病理变化导致了水分含量的变化, 这种变化可在磁共振成像中反映出来。此外, 氢原子还与碳、氮、氧等原子构成各种生物大分子, 如蛋白质、脂质与核酸等等。由于人体内氢原子的化学微环境不同, 因此其核磁共振特征也不同。而且不同组织中质子的数目不同, 即质子的自旋密度不同。更为重要的是, 在生物组织中, 水携带着有关细胞内外环境的信息, 即同一组织在病变前后, 会引起水的状态发生改变。所以, 组织所产生的病变自然也会改变氢原子的核磁共振特征。 于是可以氢原子核即质子作为探针。当人体暴露于强磁场中时, 氢原子核被导入要求的预备站位。当给以无线电波脉冲时,原子核的能量状态发生改变。脉冲过后, 原子核返回原状态时,发射出共振波。这样,原子核振动的微小变化可被检测到。通过先进的计算机处理, 就可以构建能反映组织化学结构包括不同水分含量变化和水分子运动变化的三维图像。这就可以使被观察的身体部位产生非常清晰的组织和器官的图像。 (2) 空间的定位性, 即能够准确地对空间进行分辨和定位。人体组织是一个三维空间，是立体的。如若应用均匀地磁场强度，则相同性质（化学位移或弛豫时间）的原子核会同时发生共振, 但不能区别这些原子核所在的位置，即不能定位空间的具体位置。要做空间坐标的标定可以结合核磁共振现象的本身特点，即核磁共振的吸收不仅与原子核本身有关，还受磁场强度的影响。于是可以利用磁场强度的特性。换言之, 如果已知特定原子核在人体组织不同的空间位置所受到的磁场(强度), 即磁场(强度)的空间分布, 就可知核磁共振信号的空间分布,即实现空间定位。 三、核磁共振成像技术的应用 目前核磁共振成像仪在全世界得到初步普及,已成为最重要的诊断工具之一。2002年,全世界使用的核磁共振成像仪共有2.2万台,利用它们共进行了约600万人次的检查。 MRI的最大优点在于它的无害性：与普通的x 线照相或x CT 检查大不相同，.MRI不会造成电离辐射损害。MRI可以替代其他的有创伤的检查方法，大大减少疼痛。目前MRI的应用主要有： （1） 形态学观察 可以观察物体的空间形状 （2） 生理学研究 核磁共振成像应用于组织和器官的形态学研究, 只是其最基本的功能。如①心血管系统研究②新陈代谢及生长发育 （3）  在临床医学中的应用 MRI的临床诊断无伤、快速而且准确。主要包括对疾病的动态检测; 外科手术前的定位诊断; 肿瘤的诊断及治疗跟踪; 脑溢血患者的早期诊断; 脑和脊髓疾病的诊断。 然而，由于强磁场的影响作用, 体内装有磁性金属或佩带体内电子起搏器的病人不能接受M RI 检查。另外，随时间变化的梯度磁场可在体内诱导产生电场而兴奋神经或肌肉；射频场致热效应，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；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。 三、     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（当陀螺的自转角速度w 不够大时，则除了自转和进动外，陀螺的对称轴还会在铅垂面内上下摆动，即q 角会有大小波动，称为章动。）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。 参考文献 [1] 2003年诺贝尔生理学或医学奖[J]. 生命科学（2003） 15.6 : 394-396 [2] 2003年诺贝尔生理学或医学奖授予英美科学家[J]  国外医学情报（2003）11:6-7 [3] 洪远凯 . 核磁共振成像[J] 生理科学进展(2009) 40.2 : 188-192 [4] 郭振华 . 物理学和医学的交叉与融合的重大成果[J] . 宝鸡文理学院学报(自然科学版)(2004) 24.2:155-157 [5] 因在核磁共振成像技术领域取得突破性成就 美英两科学家获2 0 0 3 年诺贝尔生理学或医学奖[J] 中国医院（2003）：7-7 [6] 张寒琦 仪器分析[M] 高等教育出版社 （2009）：286-304 文档已经阅读完毕，请返回上一页！