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核磁共振扫描仪 |
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核磁共振扫描仪发明人雷蒙德·达马丁 |
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核磁共振颅脑血管造影图像 |
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约翰·马拉德研制的世界上第一台临床全身核磁共振扫描仪 |
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1988年，美国总统里根向核磁共振扫描仪发明人雷蒙德·达马丁颁发国家技术奖章 |
撰文/供图 硕宽 最近一些年，中国加速引进核磁共振扫描仪，根据国家卫健委发布的《关于调整2018—2020年大型医用设备配置规划》，2020年，我国超导核磁共振扫描仪保有量达到10713台。不少人认为，核磁共振比CT清楚，是诊断疾病的“神器”，到医院主动要求医生给自己做核磁共振。本文就谈谈核磁共振究竟是怎么回事。 “磁共振”还是“核磁共振” 现在说的“磁共振”本来叫“核磁共振”，全称是“核磁共振成像”（NMRI）。由于民众误认为核磁共振成像要用核辐射，对它有恐惧心理，后来就把“核磁共振成像”的“核”去掉，改成“磁共振成像”（MRI）了。 其实，用“核磁共振成像”才能更准确地定位这种临床检查仪器的本质，因为它是靠强磁场中的原子核共振现象成像的，这里的“核”不是核辐射，而是指“原子核”，核磁共振与核辐射没有任何联系。 1980年核磁共振成像首次被应用于临床诊断 1946年，美国哈佛大学研究人员爱德华·米尔斯·帕赛尔发现了核磁共振现象。1946年，美国斯坦福大学教授菲力克斯·布洛赫提出“布洛赫方程”，为核磁共振现象的数学计算奠定了基础。1952年诺贝尔物理学奖授予他俩，以表彰他俩在核磁共振领域作出的杰出贡献。 起初，核磁共振主要用于有机物的分子结构研究。1971年3月，美国纽约州立大学教授雷蒙德·达马丁在《科学》杂志发表的论文提出，肿瘤组织与人体正常组织的核磁共振释放的能量不同，这为把核磁共振现象用于医学检测拉开了序幕。很快，达马丁研制出了核磁共振扫描仪，并于1972年3月17日向美国专利局申请了专利，该专利于1974年2月5日获得批准。令人惋惜的是，达马丁并未因发明核磁共振扫描仪获得诺贝尔奖。 1973年，美国石溪大学教授保罗·劳特布尔和英国诺丁汉大学教授彼得·曼斯菲尔德改进了核磁共振成像技术，让扫描时间从几个小时缩短为几十分钟甚至几分钟，推动了核磁共振成像技术的临床应用。2003年诺贝尔生理学或医学奖授予他俩，以表彰他俩在核磁共振成像技术方面的重大贡献。 20世纪70年代末，英国艾伯丁大学医用物理学教授约翰·马拉德研制出世界上第一台全身核磁共振扫描仪“马克一号”，并把它安装在苏格兰艾伯丁皇家医院。1980年8月28日，“马克一号”对一患者进行了全身扫描检查，发现了胸腔肿瘤、肾脏病变及骨癌，这是世界上首例核磁共振临床医学诊断。随后3年，“马克一号”对1000名患者进行了检查。1983年，这台全身核磁共振扫描仪被移装在伦敦圣巴塞洛缪医院，在那里运行了10年。 超导磁体是核磁共振的核心 核磁共振扫描仪外形与CT扫描仪差不多，但前者比后者要大得多，价格也更昂贵。 核磁共振扫描仪包括磁体系统、梯度磁场系统、射频场系统、计算机系统和控制台等几大部分组成，但核心是磁体系统，它是核磁共振成像的基础。 磁体系统就是产生强磁场的系统，最初由永磁物质产生，呈开放式的U形，它不需要电即可产生永久磁场，运行成本低，但体积庞大，磁感应强度低，大多已被淘汰。目前，核磁共振扫描仪的磁场基本上都由超导线圈产生。 要想让金属线圈超导，就必须获得超导低温。液氦（主要由美国生产）可以提供接近绝对零度（-273.15℃）的低温环境，线圈置于这样的低温环境里出现超导现象，也就是电阻为零。超导线圈被外部电流激发后，因没有电阻也就不存在能量损耗，无需外部持续供电其内部电流也会一直流动下去，从而产生强度不变的永久磁场。 我们说“强度不变的永久磁场”只是个理论值，由于超导线圈导线长度几十公里，这么长的导线必须由多段导线焊接而成，而焊点因材料不同会存在电阻，超导线圈会有轻微的能耗，也就是说，核磁共振的超导磁场也是逐渐衰减的，只不过是衰减得比较慢而已。 目前，医院装备的超导核磁共振扫描仪磁感应强度大多是1.5特斯拉（T）或3.0T。出于安全考虑，更高磁感应强度的核磁共振扫描仪仅用于科学研究。目前，用于动物研究的21.1T的核磁共振扫描仪已得到应用。 超导核磁共振扫描仪必须处于24小时开机状态，即便没有患者检查也要开机，因为必须让超导线圈置于接近绝对零度的低温液氦中。为了防止磁场向外泄漏，必须对核磁共振成像检查室进行屏蔽，要在墙体上铺设超低碳特种钢，这种钢材价格昂贵，我国需要进口。为了减少屏蔽成本，也有的制造商在主磁体外增加一个反向电流线圈，用来抵消超导磁场的外泄。 目前，核磁共振扫描仪的主要制造商包括美国的通用电气、德国的西门子、荷兰的飞利浦、日本的东芝和韩国的三星。 靠接收人体内氢的信息成像 核磁共振重建图像依赖强磁场就像CT成像依赖强X光，但核磁共振成像技术要比CT成像技术复杂得多。 当原子核的质子数和中子数其中至少有一项是奇数时，质子同原子核一起旋转形成磁场，就像电流通过线圈形成磁场一样，根据安培定则（右手螺旋定则）可判断出N极和S极。 人体中具有磁场的原子核有很多，如氢、氮、磷、碳、钠、钾、氧、氟等，但氢在人体中的含量最大，约占三分之二，并且存在于各器官组织中，而且磁化率高，释放出的信号强，所以，核磁共振选择氢原子核成像。更准确地说，是利用氢最常见的同位素氕（氢-1）成像，氕只有一个质子，没有中子，丰度高达99.98%。氕原子核只有一个质子，下文提到的氢质子就是指氕原子核。 读到这里可能有读者会问，既然人体存在很多有磁场的原子核，那人体是不是也有磁场？ 人体是没有宏观磁场的，因为人体内各种原子核产生的磁场的极性是无序排列的，磁感应强度是个矢量，它们互相抵消，整个人体就不会表现出磁性来。 “矢量”是中学物理的一个基本概念，它有大小和方向，有正负之分，力就是矢量。与“矢量”对应的是“标量”，标量只有大小没有方向，无正负之别，能量就是标量。 核磁共振成像基本原理 人体进入核磁共振扫描仪的超导磁场后，氢质子的磁场方向便与超导磁场平行，这种平行是动态平行，因为氢质子像陀螺一样，在自旋的同时也以超导磁场的磁力线为轴旋转，这也叫进动，进动频率是由外加磁场的强度决定的。处于低能级的氢质子与超导磁场方向一致，处于高能级的氢质子与超导磁场方向相反，但前者多于后者，这样人体就呈现出宏观磁场来，方向与超导磁场的方向一致。 通过调整梯度磁场梯度和射频带宽，可选定断层位置及层厚，然后用射频线圈向断层发射电磁波，当处于低能级的氢质子进动频率与电磁波频率相等时，便吸收电磁波能量发生共振，进入高能级；关闭电磁波后，那些参与共振的氢质子，便释放电磁波能量回到原来的低能级。 共振氢质子回到低能级时释放电磁波能量，而这种能量被氢质子周围介质吸收呈现指数下降（驰豫），介质不同下降的快慢也不同。如果在某一时刻打开射频线圈，此时的射频线圈就成了信号接收线圈，把断层各体素上共振氢质子衰减的信号接收下来，经计算机计算，把体素信号对应到像素上，便可重建图像。 从上文可以看出，尽管人体内氢质子不计其数，但参与共振释放成像信号的氢质子并不多，其数量就是低能氢质子与高能氢质子的差数，仅占氢质子总数的百万分之几。 总之，核磁共振就是在强大磁场的基础上，通过梯度磁场和射频确定断层部位和厚度，再经过射频激发氢质子共振，去掉射频后被激发的氢质子释放能量，这些能量因周围介质不同而呈现不同的指数衰减，把这些衰减的信号接收下来，经过计算机复杂的计算重建灰级图像。 核磁共振一定比CT好吗 公众有种对核磁共振的迷信心理，核磁共振比CT贵，就认为它一定比CT好。其实，核磁共振与CT各有各的优势，不能一概而论谁更好。 一般而言，核磁共振对人体软组织成像能获得更多的细节信息，但它对骨质方面的病变检查不如CT。 核磁共振对中枢神经系统的病灶检查具有明显的优势，对脑部肿瘤、颅内感染、脑血管病变、脑白质病变、脑发育畸形等也具有较高的诊断价值，但对颅骨折、急性脑出血以及病灶钙化并不敏感。核磁共振检查眼、鼻、喉及颈部病变也优于CT，但对这些部位的骨质病变检查不如CT。另外，核磁共振无需使用造影剂便可得到血管、胆胰管、尿路等管腔造影，而CT造影必须使用造影剂。 CT扫描用时很短，几秒几十秒即可完成；但核磁共振扫描需要时间较长，需要几分钟到几十分钟，而且噪音很大，会给患者带来一定的恐惧感。正因为核磁共振扫描时间长，它不适合对运动器官的检查，如心脏等。 核磁共振有一个操作优势，那就是，无需移动人体，只需要通过调整梯度磁场梯度和射频带宽，就可以对人体任何组织、任何断层和层厚进行扫描。 核磁共振安全吗 2017年12月9日，美国食品和药品管理局提出，核磁共振的强磁场和射频能量会引起一些安全问题，美国每年有数百万例核磁共振成像，每年收到大约300例由此引发的不良事件。 核磁共振虽然不用X线，但却需要强度极高的磁场。地球表面的磁场平均是0.5高斯（Gs），1T等于1万Gs，而现在普遍使用的3.0T超导核磁共振扫描仪，其磁场强度是地球自然磁场的6万倍！在这样的强磁场环境下，磁性金属物质会像喷气式飞机一样抛射。 被检查的患者身体内不能有任何金属植入物，如血管支架、含有金属的义齿、金属节育环等，因为这些东西在强磁场下会发生移动，给身体造成伤害甚至是致命危害。如果患者说不清自己体内是否有金属植入物，核磁共振扫描前必须进行X线检查。对安装心脏起搏器的患者而言，不但禁止核磁共振检查，也禁止进入核磁共振检查室。 患者也不得携带任何金属器件进入检查室，如钥匙、手表、腰带、首饰等，因为金属物品在强大磁场作用下会飞射出去，伤害患者并损坏仪器。把银行卡等磁卡及电子设备带入核磁共振检查室也会受到损坏。 核磁共振扫描时会产生很大的噪音，为保护听力，检查医师要为患者戴上耳塞。 核磁共振的射频能量会加热患者身体组织，会让患者感到不适。 另外，液氦不但超低温，也具有毒性，泄漏后会给接触的人造成冻伤、中毒等伤害。 和CT一样，如果想获得更清晰的图像，就必须使用造影剂加强扫描，使用造影剂，某些患者会发生过敏等不良反应。 核磁共振会给接受扫描的人造成哪些危害以及危害程度有多大，从目前的研究看尚不明确。但有一点可以肯定，人经过长期进化已经适应了0.5Gs的地球自然磁场，突然进入强度是自然磁场6万倍的磁场中，肯定有某些不利的影响。故此，一般不建议妊娠期妇女进行核磁共振检查，尤其是怀孕3个月以内的妇女；国外甚至规定近期计划怀孕的妇女在做核磁共振检查前一定要咨询医生。
