核磁共振一般多少錢（拍核磁）

如今，當(dāng)我們走進(jìn)醫(yī)院，一定能感受到核醫(yī)學(xué)技術(shù)無所不在：X射線成像、CT成像、磁共振成像、各種放射治療技術(shù)等為我們的健康保駕護(hù)航，也極大地促進(jìn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展。我們通常聽到的“拍核磁”，其實(shí)就是磁共振成像（MRI），又叫核磁共振成像。自193

如今，當(dāng)我們走進(jìn)醫(yī)院，一定能感受到核醫(yī)學(xué)技術(shù)無所不在：X射線成像、CT成像、磁共振成像、各種放射治療技術(shù)等為我們的健康保駕護(hù)航，也極大地促進(jìn)了現(xiàn)代醫(yī)學(xué)的發(fā)展。

我們通常聽到的“拍核磁”，其實(shí)就是磁共振成像（MRI），又叫核磁共振成像。自1937年，拉比（Isador Isaac Rabi）發(fā)現(xiàn)核磁共振的現(xiàn)象開始，磁共振技術(shù)在隨后的幾十年中迎來了飛速發(fā)展，如今已成為臨床檢查和診斷中必不可少的設(shè)備。在整個磁共振技術(shù)的發(fā)展中，一共有6次諾貝爾獎?wù)Q生。

圖1 Isador Isaac Rabi(1898-1988)因發(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象獲得了1944年的諾貝爾獎。圖源| researchgate

圖2 核磁共振成像技術(shù)的發(fā)展 圖| 俞博毅

拍核磁，究竟拍的是什么？磁共振設(shè)備是如何得到我們身體內(nèi)組織結(jié)構(gòu)的影像的呢？我們可以從“核”、“磁”、“共振”、“成像”這幾個部分去理解。

01

核磁共振成像的“核”

我們知道人體是由原子構(gòu)成的，而原子中包含了原子核和核外電子。核磁共振的“核”其實(shí)就是原子核。原子核的類型有很多種，每一種原子核都可以進(jìn)行核磁共振成像嗎？當(dāng)然不是，只有磁性原子核才可以進(jìn)行核磁共振成像。

原子核的磁性來源于原子核的磁矩，而原子核的磁矩又源于原子核有自旋角動量。我們可將原子核視為一個球體，所有的磁性原子核都具有一個特征，那就是繞著自己的軸高速旋轉(zhuǎn)，我們把原子核的這一特性稱之為自旋（Spin）。

簡單來講，原子核內(nèi)的質(zhì)子和中子的數(shù)目決定了原子核是否為磁性原子核。若原子核內(nèi)的質(zhì)子數(shù)和中子數(shù)均為偶數(shù)，則這樣的核不能自旋產(chǎn)生核磁，是非磁性核，反之則為磁性原子核。

由于原子核表面帶正電，磁性原子核自旋就會產(chǎn)生環(huán)電流，從而產(chǎn)生具有一定大小和方向的磁化矢量。我們把這種由磁性原子核自旋產(chǎn)生的磁場稱為核磁。

圖3 我們可以把原子核想象成一個球體。原子核表面的正電荷高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生環(huán)電流，環(huán)電流進(jìn)而會產(chǎn)生一定大小和方向的磁化矢量。 圖|李佳昕

即便如此，我們的身體中仍然有較多的磁性原子核，選擇什么樣的磁性原子核來進(jìn)行我們?nèi)梭w的磁共振成像呢？

如上表所示，氫原子核在人體內(nèi)含量最高，而且磁化率也是最高的，所以我們一般用氫原子核進(jìn)行磁共振成像。因此，拍核磁，拍的就是“氫原子核”，也可以被稱為“質(zhì)子”（因?yàn)闅湓雍死餂]有中子，只有一個質(zhì)子）。

人體內(nèi)的氫原子核主要來自于三類化合物——水、脂肪、蛋白質(zhì)，但是蛋白質(zhì)內(nèi)的氫原子核一般沒有MRI信號，所以人體中的MRI信號主要來自于水，部分組織中的信號也來自于脂肪。

02

核磁共振成像的“磁”

既然我們身體中的氫原子核都具有核磁，我們每個人身體里數(shù)以億萬計(jì)的氫原子核都會產(chǎn)生磁場，我們?yōu)槭裁礇]有成為萬磁王？

圖4 萬磁王是漫威漫畫公司旗下的超級反派，他可以控制任何形式的磁場。圖源| 百度百科

這是因?yàn)槲覀兩眢w中的氫原子核具有無序性，各個方向的磁化矢量相互抵消，所以宏觀上我們是不具有磁性的。

那么，如何觀測身體內(nèi)的磁共振信號呢？

每一個氫原子核產(chǎn)生的磁場類似于一個小磁針，會在磁場中受到力的作用而偏轉(zhuǎn)。如果我們外加一個主磁場，由于磁場中力的作用，氫原子核產(chǎn)生的磁化矢量就會與主磁場方向平行同向或者平行反向。

與主磁場平行同向的質(zhì)子，不需要對抗主磁場的作用而處于低能級；與主磁場平行反向的質(zhì)子，需要對抗主磁場的作用而處于高能級。低能級的質(zhì)子略多于高能級的質(zhì)子，整體在宏觀上表現(xiàn)為與主磁場同向的磁化矢量。

圖5 A,體內(nèi)質(zhì)子在無磁場的作用下，每個質(zhì)子的磁化矢量都處于不同方向; B,當(dāng)人體處于外磁場中，在外磁場作用下，體內(nèi)質(zhì)子的磁化矢量就會朝向兩個方向。圖| 俞博毅

這就像是在操場軍訓(xùn)的學(xué)生，中場休息時，大家原本在隨意活動。但是,當(dāng)聽到教官的口令“面向陽光和背向陽光，站成兩排”時，同學(xué)們就會馬上站成兩排。由于難以忍受刺眼的陽光，更多的同學(xué)本能地會站在背向陽光的那排。

需要注意的是，在磁場中的氫原子核，并不是完全與主磁場方向平行，而是存在一定的角度。因此氫原子核在主磁場中除了自旋外，還會繞著主磁場方向的軸進(jìn)行轉(zhuǎn)動，其運(yùn)動的方式就像地上傾斜的陀螺一樣。我們把這種運(yùn)動叫做拉莫爾進(jìn)動（Larmor procession）。

圖6 自旋的質(zhì)子在磁場中像陀螺一樣進(jìn)動。圖|李佳昕

拉莫爾進(jìn)動的頻率ω可以用以下的公式描述：

其中γ是原子核的磁旋比，一般是一個常數(shù)；B為主磁場強(qiáng)度。氫原子核的磁旋比為42.5MHz/T。

03

核磁共振成像的“共振”

提到共振，大家很容易能想到初中學(xué)過的聲音的共振。聲音共振的條件是聲波與音叉的振動頻率一致，類似的，核磁共振的條件是外加的射頻脈沖與質(zhì)子的拉莫爾進(jìn)動頻率一致。

前面講到，在磁場的作用下，宏觀上體內(nèi)質(zhì)子產(chǎn)生與主磁場相同的磁化矢量（Mz），微觀上其實(shí)是處于不同能級的質(zhì)子數(shù)量不同，而這種能級的分裂只有磁場存在時才會產(chǎn)生。

就像給背向陽光的同學(xué)一頂遮陽帽，讓他也站到面向陽光的那一排去，當(dāng)我們施加一個與質(zhì)子進(jìn)動頻率一致的射頻脈沖，則低能級的質(zhì)子會發(fā)生共振、吸收射頻能量而躍遷到高能級，此時高能級質(zhì)子數(shù)量逐漸增多。

當(dāng)高能級質(zhì)子與低能級質(zhì)子數(shù)量一致時，磁化矢量相互抵消，則質(zhì)子在宏觀上表現(xiàn)為主磁場方向的磁化矢量為0（如圖7左側(cè)下所示）。

但與此同時，由于射頻的聚相位效應(yīng)，會把XY方向的磁化矢量聚集到一起產(chǎn)生XY平面的宏觀磁化矢量，繞磁場轉(zhuǎn)動。這個聚相位作用，就像我們的五個手指本來是張開的，五個手指處于各個方向，如果每個手指代表一個力，則合力為零；當(dāng)我們將手指合攏，則合力方向就是五個手指聚攏的方向。（如圖7右側(cè)下所示）

圖7 在磁場作用下，氫原子核能級分裂，并在射頻脈沖作用下發(fā)生核磁共振，產(chǎn)生能級躍遷。圖| 俞博毅

04

核磁共振成像的“成像”

當(dāng)我們撤去射頻脈沖，則高能級的質(zhì)子又會逐漸回到低能級。宏觀上就表現(xiàn)為縱向磁化矢量的逐漸恢復(fù)（縱向弛豫，圖8）和橫向磁化矢量的逐漸衰減（橫向弛豫，圖9）。

圖8 縱向磁化矢量逐漸恢復(fù) 圖| 李佳昕

圖9 橫向磁化矢量逐漸衰減 圖| 李佳昕

由于人體內(nèi)組織含氫原子核的數(shù)量不同，氫原子核所處的化學(xué)環(huán)境不同，所以縱向和橫向弛豫的過程不一樣，相應(yīng)的，磁化矢量恢復(fù)的時間也就不同。

因此，通過設(shè)置MRI序列，我們就可以采集到組織的信號。不同組織的MRI信號強(qiáng)度不同，我們就能得到體內(nèi)組織的對比圖像。

我們是如何采集磁共振信號的呢？其實(shí)非常簡單，高中物理課告訴我們“磁感線切割線圈會產(chǎn)生電流”，因此，用旋轉(zhuǎn)的XY方向的磁化矢量去切割線圈就能得到磁共振產(chǎn)生的電信號，進(jìn)而運(yùn)用數(shù)學(xué)方法對電信號進(jìn)行轉(zhuǎn)換，就能獲得磁共振圖像了。

作者| 俞博毅 李佳昕

指導(dǎo)老師| 陳衛(wèi)強(qiáng)

編輯| 劉芳

參考文獻(xiàn)：

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來源：中科院近代物理所

編輯：云開葉落