什么是核磁共振？
核磁共振
核磁共振成像(NMRI)，也称为磁共振成像(MRI)，
核磁共振的全称是核磁共振成像(MRI)，是一个磁矩非零的原子核的自旋能级在外磁场的作用下发生分裂，通过共振吸收一定频率的射频辐射的物理过程。核磁共振谱是光谱学的一个分支，它的共振频率在无线电频段，对应的跃迁是核自旋在塞曼能级的跃迁。
核磁共振(NMR)是一种物理现象，处于静态磁场中的原子核受到另一个交变磁场的作用。总的来说，核磁共振是指利用核磁共振现象获取人体分子结构和内部结构信息的技术。
不是所有的原子核都能产生这种现象，原子核能产生核磁共振是因为它们有核自旋。核自旋产生磁矩，当核磁矩处于静态外磁场时，产生进动核和能级分裂。在交变磁场的作用下，自旋核会吸收特定频率的电磁波，从较低能级跃迁到较高能级。这个过程就是核磁共振。
磁共振(MRI)也称为磁共振成像技术。这是继CT之后医学影像学的又一重大进步。自20世纪80年代应用以来，发展速度极快。其基本原理是将人体置于特殊磁场中，通过射频脉冲激发人体内的氢核，使氢核产生共振并吸收能量。氢核在停止射频脉冲后，以特定频率发出无线电信号，并释放吸收的能量，由体外的接收器收集，经电子计算机处理后获得图像，称为核磁共振成像。
核磁共振是一种物理现象。作为一种分析方法，它被广泛应用于物理学、化学生物学等领域。直到1973才用于医学临床检验。为了避免与核医学中的放射成像混淆，称之为磁共振成像(MRI)。
磁共振成像是一种生物磁自旋成像技术，它利用核自旋运动的特性，在外磁场中被射频脉冲激发后产生信号，由探测器探测后输入计算机，经处理转换后在屏幕上显示图像。
MRI提供的信息不仅大于医学影像中的许多其他成像方法，而且也不同于现有的成像方法。因此，它在疾病诊断方面具有巨大的潜在优势。可直接制作横断面、矢状面、冠状面和各种斜面的断层图像，无CT检测中的伪影；无需注射造影剂；无电离辐射，对身体无不良影响。MRI对脑内血肿、脑外血肿、脑肿瘤、颅内动脉瘤、动静脉畸形、脑缺血、椎管内肿瘤、脊髓空洞症、脑积水等常见脑部疾病的检测非常有效，对腰椎间盘突出、原发性肝癌等疾病的诊断也很有效。
核磁共振也有一些缺点。它的空间分辨率不如CT，所以对于有起搏器或者有一些金属异物的部位的患者，无法用MRI检查，而且更贵。
核磁共振技术的历史
在1930年代，物理学家isidor rabi发现磁场中的原子核会沿着磁场方向以正向或反向的顺序平行排列，施加无线电波后原子核的自旋方向会反转。这是对原子核与磁场和外加射频场相互作用的最早认识。因为这项研究，拉比获得了1944年诺贝尔物理学奖。
1946期间，美国两位科学家Bloch和purcell发现，当把原子核数为奇数(包括质子和中子)的原子核放在磁场中，施加特定频率的射频场，射频场的能量会被原子核吸收，这就是核磁共振的初步认识。正因如此，他们两人获得了1952诺贝尔物理学奖。
核磁共振现象在人们发现后不久就投入了实际应用。化学家利用分子结构对氢原子周围磁场的影响来开发核磁共振光谱，用于分析分子结构。随着时间的推移，核磁共振波谱技术不断发展，从最初的一维氢谱到13C谱、二维核磁共振谱等高级谱，核磁共振技术分析分子结构的能力越来越强。进入1990年代后，人们甚至发展了利用核磁共振信息确定蛋白质分子三级结构的技术，使得在溶液相中精确确定蛋白质的分子结构成为可能。
1946年，哈佛大学的purcell和斯坦福大学的Bloch宣布他们发现了核磁共振(NMR)。因此，他们获得了1952诺贝尔奖。核磁共振(NMR)是在满足一定条件的情况下，在恒定磁场和高频磁场(在无线电波段)的同时作用下，原子核的磁矩发生共振吸收的现象。核磁共振很快成为探索和研究物质微观结构和性质的高新技术。目前，核磁共振已广泛应用于物理、化学、材料科学、生命科学和医学。
原子核由质子和中子组成，两者都有固有磁矩。可以通俗地理解为，它们在磁场中的行为就像小磁针。在外磁场作用下，核磁矩与磁场相互作用导致能级分裂，能级差与外磁场强度成正比。如果同时加上与能级区间相对应的交变电磁场，可以引起原子核的能级跃迁，产生核磁共振。可见其基本原理类似于原子的共振吸收现象。
早期的核磁共振主要用于研究核的结构和性质，如测量核磁矩、电四极距和核自旋，后来广泛应用于分子组成和结构分析、生物组织和活组织分析、病理分析、医学诊断、产品无损监测等。对于孤立氢核(即质子)，当磁场为1.4T时，共振频率为59.6MHz，对应的电磁波为波长为5m的无线电波。但在化合物分子中，这个共振频率也与氢核所处的化学环境有关。不同化学环境中的氢核共振频率不同，称为化学位移。这是由核外电子云对磁场的屏蔽效应、诱导效应和共同效应造成的。同时，由于分子间原子的相互作用，也会发生自旋耦合分裂。化合物，尤其是有机化合物的分子结构可以通过化学位移和裂解数来推断。这是核磁共振的光谱分析。20世纪70年代，脉冲傅里叶变换核磁共振仪出现，使得C13谱的应用日益增多。核磁共振法分析物质成分和结构具有准确度高、对样品限制少、不损伤样品等优点。
最早的MRI实验是劳特珀在1973年发表的，随即引起广泛关注，短短10年就进入了临床应用阶段。有一个稳定的磁场和一个交变的电磁场作用在样品上。去掉电磁场后，被激发的原子核能跃迁到一个低能级，辐射电磁波，同时在线圈中感应出一个电压信号，称为核磁共振信号。由于大量水和碳氢化合物的存在，人体组织中存在大量氢核。一般来说，使用氢原子核获得的信号比其他原子核大1000倍以上。正常组织和患病组织的电压信号是不同的。结合CT技术，也就是计算机断层成像技术，可以得到人体组织的任意横断面图像，尤其是对于软组织病变的诊断，显示出它的优势，对病变部位非常敏感，图像非常清晰。
在磁共振成像的研究中，一个前沿学科是功能磁共振成像，研究人脑的功能和高级思维活动。人们已经对大脑组织了解很多，但对大脑如何工作以及为什么它有如此高级的功能却知之甚少。贝尔实验室在1988开始了这方面的研究，美国政府也将20世纪90年代定为“大脑的十年”。核磁共振技术可以直接观察活体，被测对象有意识，还具有无辐射损伤、成像速度快、时空分辨率高(分别可达100μm和数十ms)、可探测多种核素、选择性化学位移等优点。美国威斯康星医院拍摄了数千张工作人脑的活体图像，有望在不久的将来揭开工作人脑的神秘面纱。
如果将核磁共振的频率变量增加到两个或两个以上，就可以实现二维或多维核磁共振，从而获得比一维核磁共振更多的信息。目前核磁共振成像的应用仅限于氢原子核，但从实际应用的需要来看，还要求其他原子核如C13、N14、P31、S33、Na23、I127也可以用于核磁共振成像。C13已进入实用阶段，但仍需进一步拓展和深化。核磁共振与其他物理效应结合，如穆斯堡尔效应(γ射线无反冲共振的吸收效应)、电子自旋共振等，可以获得更有价值的信息，无论在理论上还是在实际应用中都具有重要意义。核磁共振具有广阔的应用前景。随着脉冲傅里叶技术的突破，C13的光谱已经进入应用阶段。有理由相信，其他原子核的光谱应该在不久的将来进入应用阶段。
另一方面，医学科学家发现水分子中的氢原子可以产生核磁共振，利用核磁共振可以获得水分子在人体内分布的信息，从而准确绘制人体内部结构。纽约州立大学南方医学中心医学博士Damadian在这一理论的基础上，通过测量核磁共振的弛豫时间，成功地区分了癌细胞和正常组织细胞。受达马迪新技术的启发，纽约州立大学石溪分校的物理学家保罗·劳特珀(Paul Lauterper)在1973年开发了一种基于核磁共振的成像技术(MRI)，并用他的设备成功绘制了一只活蛤蜊的内部结构图像。劳特珀之后，磁共振成像技术越来越成熟，应用越来越广泛，已经成为一种常规的医学检测手段，广泛应用于帕金森病、多发性硬化等脑和脊髓疾病以及癌症的治疗和诊断。2003年，保罗·劳特珀(Paul Lauterper)和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔德(Peter Mansfield)因对核磁共振成像技术的贡献获得诺贝尔生理学或医学奖。其基本原理是将人体置于特殊磁场中，通过射频脉冲激发人体内的氢核，使氢核产生共振并吸收能量。氢核在停止射频脉冲后，以特定频率发出无线电信号，并释放吸收的能量，由体外的接收器收集，经电子计算机处理后获得图像，称为核磁共振成像。
核磁共振的原理
核磁共振现象来源于原子核在外磁场作用下自旋角动量的进动。
根据量子力学原理，原子核和电子一样，也有自旋角动量，其自旋角动量的具体值由原子核的自旋量子数决定。实验结果表明，不同类型原子核的自旋量子数也不同:
质量和质子数均为偶数的原子核，自旋量子数为0。
质量数和自旋量子数都为奇数的原子核是半整数。
具有偶数质量和奇数质子数的原子核具有整数自旋量子数。
到目前为止，只有自旋量子数等于1/2的原子核才能被人们使用。人们常用的原子核有:1H、11B、13C、17O、19F等。
由于原子核带有电荷，当原子核自旋时会产生磁矩，磁矩的方向与原子核的方向相同，其大小与原子核的角动量成正比。当把原子核放在外磁场中时，如果原子核的磁矩与外磁场的方向不同，原子核的磁矩就会绕着外磁场的方向旋转，类似于陀螺旋转轴在旋转过程中的摆动，称为进动。进动有能量，有一定的频率。
原子核进动的频率是由外磁场的强度和原子核本身的性质决定的，也就是说，对于特定的原子，在一定的外磁场强度下，原子核自旋进动的频率是固定的。
核进动的能量与磁场、核磁矩以及磁矩与磁场的夹角有关。根据量子力学原理，原子核磁矩与外磁场的夹角不是连续分布的，而是由核的磁量子数决定的，而原子核磁矩的方向只能在这些磁量子数之间跳跃，而不能平滑变化，从而形成一系列能级。当原子核在外磁场中接受其他来源的能量输入时，会发生能级跃迁，即原子核磁矩与外磁场的夹角会发生变化。这种能级跃迁是获得核磁共振信号的基础。
为了使核自旋进动发生能级跃迁，需要给核提供跃迁所需的能量，这种能量通常由外加射频场提供。根据物理学原理，当外加射频场的频率与原子核自旋进动的频率相同时，射频场的能量可以被原子核有效吸收，为能级跃迁提供帮助。因此，在给定的外磁场中，特定的原子核只吸收某一频率射频场提供的能量，从而形成核磁共振信号。
核磁共振的应用
核磁共振技术
核磁共振光谱学
核磁共振(NMR)技术是将核磁共振现象应用于确定分子结构的技术。对于有机分子结构的确定，核磁共振谱起着非常重要的作用。核磁共振光谱与紫外光谱、红外光谱、质谱一起被有机化学家称为“四大著名光谱”。目前对核磁共振谱的研究主要集中在1H和13C核的谱上。
对于孤立的原子核来说，同一原子核只对同一外磁场中某一频率的射频场敏感。但由于分子中电子云分布等因素的影响，实际感受到的外磁场强度往往会有一定程度的变化，分子结构中不同位置的原子核感受到的外磁场强度也是不同的。分子中的电子云对外界磁场强度的影响，会使分子中不同位置的原子核对不同频率的射频场敏感，从而导致核磁共振信号的差异，这是通过核磁共振分析分子结构的基础。原子核附近化学键和电子云的分布称为原子核的化学环境，由化学环境的影响引起的核磁共振信号频率位置的变化称为原子核的化学位移。
耦合常数是核磁共振谱提供的除化学位移以外的另一个重要信息。所谓耦合，是指相邻原子核的自旋角动量相互作用，会改变原子核自旋进动在外磁场中的能级分布，导致能级分裂，进而使核磁共振谱中信号峰的形状发生变化。通过分析这些峰形的变化，可以推断出分子结构中原子之间的连接关系。
最后，信号强度是NMR光谱中的第三个重要信息。相同化学环境中的原子核将在NMR光谱中显示相同的信号峰。通过分析信号峰的强度，可以知道这些核的数量，从而为分子结构的分析提供重要信息。信号峰强度由信号峰曲线下的面积积分来表征，这对于1H-NMR谱图特别重要，而对于13C-NMR谱图，峰强度不是很重要，因为峰强度和核数之间的对应关系不显著。
早期的核磁共振谱主要集中在氢谱上，因为能产生核磁共振信号的1H原子在自然界中极其丰富，它们产生的核磁共振信号非常强，容易被探测到。随着傅里叶变换技术的发展，核磁共振仪可以在极短的时间内同时发射不同频率的射频场，使样品可以重复扫描，从而将微弱的核磁共振信号与背景噪声区分开来，使人们能够采集到13C核磁共振信号。
近年来，人们发展了二维核磁共振波谱技术，使人们能够获得更多关于分子结构的信息。目前，二维核磁共振波谱已经能够分析小分子量蛋白质分子的空间结构。
磁共振成像技术
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核磁共振成像技术是核磁共振在医学领域的应用。人体富含水分，不同组织水分含量不同。如果能检测到水的分布信息，就能画出一幅比较完整的人体内部结构图。磁共振成像技术是通过识别水分子中氢原子的信号分布来推断人体内水分子的分布，进而检测人体内部结构的技术。
与用于识别分子结构的核磁共振波谱不同，核磁共振成像技术适应的是外部磁场的强度，而不是射频场的频率。磁共振成像仪会在垂直于主磁场的方向上提供两个相互垂直的梯度磁场，这样人体内的磁场分布会随着空间位置的变化而变化，每个位置都会有不同强度和方向的磁场，这样人体不同部位的氢原子就会对不同的射频场信号产生反应。通过记录这种反应并进行计算，可以获得水分子空间分布的信息，从而获得人体内部结构的图像。
磁共振成像还可以与X射线断层扫描(CT)结合，为临床诊断和生理医学研究提供重要数据。
磁共振成像(MRI)是一种无创检测技术。与X线透视和放射照相相比，MRI对人体无辐射影响。相比超声检测技术，MRI更清晰，能显示更多细节。与其他影像技术相比，MRI不仅能显示有形的实性病变，还能准确判断脑、心、肝等功能反应。磁共振成像技术在帕金森病、阿尔茨海默病、癌症等疾病的诊断中发挥了非常重要的作用。
MRS技术
核磁共振探测
核磁共振探测是核磁共振技术在地质勘探领域的延伸。通过探测某一地层中的水量分布信息，可以确定某一地层下是否有地下水，地下水位的高度，含水层的含水量和孔隙度等地层结构信息。
目前，核磁共振探测技术已成为传统钻探探测技术的补充手段，并已应用于滑坡等地质灾害的防治。然而，与传统的钻井探测相比，核磁共振探测设备的购置、运行和维护成本非常高，严重限制了MRS技术在地质科学中的应用。
核磁共振的特征
①共振频率取决于核外的电子结构和核邻体的构型；②共振峰的强度取决于这种构型在合金中所占的比例；③谱线的分辨率极高。
磁共振成像的优势
与1901年获得诺贝尔物理学奖的普通X线或1979年获得诺贝尔医学奖的计算机断层扫描(CT)相比，磁共振成像最大的优势在于它是目前少有的对人体无伤害的安全、快速、准确的临床诊断手段。今天，全世界每年至少有6000万病例接受核磁共振检查。具体来说，有以下几点:
对人体无辐射伤害；
多种参数可用于成像，多种成像参数可提供丰富的诊断信息，使医学诊断和研究人体内的代谢和功能变得方便有效。比如肝炎、肝硬化的T1值更大，肝癌的T1值更大。利用T1加权图像可以区分肝脏良恶性肿瘤。
通过调节磁场可以自由选择所需的轮廓。可以获得其他成像技术无法接近或难以接近的部位的图像。对于椎间盘和脊髓，可以做矢状、冠状和横断面图像，可以看到神经根、脊髓和神经节。可以获得大脑和脊髓的三维图像，不像CT(只能获得垂直于人体长轴的横断面视图)可能会遗漏病变；
可以诊断心脏疾病，CT扫描速度慢，无法胜任；
对软组织具有出色的分辨率。膀胱、直肠、子宫、阴道、骨骼、关节、肌肉等部位的检查优于CT；
原则上所有自旋非零的核元素都可以用来成像，比如氢(1H)、碳(13C)、氮(14N和15N)、磷(31P)等等。
临床意义:适应症:
神经系统的病变，包括肿瘤、梗死、出血、变性、先天畸形、感染等，几乎成为诊断的手段。尤其是脊髓、脊柱的病变，如肿瘤、萎缩、退变、创伤性椎间盘病变等，成为检查的首选。
心脏大血管的病理变化；肺部纵隔病变。
腹部和盆腔器官检查；胆道系统和泌尿系统明显优于CT。
对于关节软组织病变；对骨髓和骨的无菌性坏死非常敏感，病变发现早于X线和CT。
[编辑本段]核磁共振和CT的区别
计算机断层扫描(CT)可以在一个横断面解剖平面上准确地检测出不同组织之间的微小密度差异，是观察骨关节和软组织疾病的理想检查方法。在关节炎的诊断中，主要用于检查脊柱，尤其是骶髂关节。CT在高分辨率和轴向成像方面优于传统的X线检查。由于CT的高密度分辨率，软组织、骨骼和关节都可以看得很清楚。另外，CT可以做轴位扫描，一些在传统x光片上难以分辨的关节，可以在咬合图像上“显露”出来。比如，由于骶髂关节的关节面天生倾斜弯曲，与其他组织重叠，虽然大多数情况下骶髂关节的X线片可能符合要求，但有时X线检查很难发现骶髂关节炎，那么对于有问题的患者可以做CT检查。
磁共振成像(MRI)是基于辐射波和氢原子核在强磁场中的相互作用。磁共振一问世，很快就成为许多疾病诊断的有用成像工具，包括肌肉骨骼系统。肌肉骨骼系统最适合磁共振成像，因为它的组织密度对比度范围大。在骨、关节和软组织疾病的诊断中，磁共振成像(MRI)具有数倍于CT的成像参数和较高的软组织分辨率，使得其对软组织的对比度明显高于CT。磁共振成像通过其多方位的平面成像功能，可以明显提高各种关节的成像质量，显示其他影像检查无法分辨的细微结果，如神经、肌腱、韧带、血管、软骨等。骨关节系统磁共振成像的缺点是对骨和软组织疾病的定性诊断不特异，成像速度慢。患者的自主或不自主活动会引起运动伪影，影响诊断。
x光片、CT、磁共振可以称为三驾马车。三者的有机结合使得现在的影像学检查不仅扩大了检查范围，而且提高了诊断水平。
参考资料:
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