核磁共振 三民高中 10619 羅牧辰
壹 前言 核磁共振 ( 英語 :Nuclear Magnetic Resonance, 縮寫 NMR) 是基於原子尺度的量子磁物理性質 具有奇數質子或中子的核子, 具有內在的性質 : 核自旋, 自旋角動量 核自旋產生磁矩 NMR 觀測原子的方法, 是將樣品置於外加強大的磁場下, 現代的儀器通常採用低溫超導磁鐵 核自旋本身的磁場, 在外加磁場下重新排列, 大多數核自旋會處於低能態 我們額外施加電磁場來干涉低能態的核自旋轉向高能態, 再回到平衡態便會釋放出射頻, 這就是 NMR 訊號 利用這樣的過程, 我們可以進行分子科學的研究, 如分子結構, 動態等 300 兆赫 ( 針對氫核 ) 的磁振頻譜儀 核磁共振技術的歷史 1930 年代, 伊西多 拉比 (Isidor Rabi) 發現在磁場中的原子核會沿磁場方向呈正向或反向有序平行排列, 而施加無線電波之後, 原子核的自旋方向發生翻轉 這是人類關於原子核與磁場以及外加射頻場相互作用的最早認識 由於這項研究, 拉比於 1944 年獲得了諾貝爾物理學獎 1946 年, 費利克斯 布洛赫 (Felix Bloch) 和愛德華 米爾斯 珀塞耳 (Edward Mills Purcell) 發現, 將具有奇數個核子 ( 包括質子和中子 ) 的原子核置於磁場中, 再施加以特定頻率的射頻場, 就會發生原子核吸收射頻場能量的現象, 這就是人們最初對核磁共振現象的認識 為此他們兩人獲得了 1952 年度諾貝爾物理學獎 人們在發現核磁共振現象之後很快就產生了實際用途, 化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場產生的影響, 發展出了核磁共振譜, 用於解析分子結構, 隨著時間的推移, 核磁共振譜技術從最初的一維氫譜發展到 13 C 譜 二維核磁共振譜等高級譜圖, 核磁共振技術解析分子結構的能力也越來越強, 進入 1990 年代以後, 發展出了依靠核磁共振信息確定蛋白質分子三級結構的技術, 使得溶液相蛋白質分子結構的精確測定成為可能 另一方面, 醫學家們發現水分子中的氫原子可以產生核磁共振現象, 利用這一現象可以獲取人體內水分子分佈的信息, 從而精確繪製人體內部結構, 在這一理論基礎上 1969 年, 紐約州立大學南部醫學中心的達馬迪安通過測核磁共振的弛豫時間成功的將小鼠的癌細胞與正常組織細胞區分開來, 在達馬迪安新技術的啟發下紐約州立大學石溪分校的物理學家保羅 勞特伯爾於 1973 年開發出了基於核磁共振現象的成像技術 (MRI), 並且應用他的設備成功地繪製出了一個活體蛤蜊地內部結構圖像 勞特伯爾之後,MRI 技術日趨成熟, 應用範圍日益廣泛, 成為一項常規的醫學檢測手段, 廣泛應用於帕金森氏症 多發性硬化症等腦部與脊
椎病變以及癌症的治療和診斷 2003 年, 保羅 勞特伯爾和英國諾丁漢大學教授 彼得 曼斯菲爾因為他們在核磁共振成像技術方面的貢獻獲得了當年度的諾貝爾 生理學或醫學獎 貳 正文 一 核磁共振的原理核磁共振現象來源於原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的進動 根據量子力學原理, 原子核與電子一樣, 也具有自旋角動量, 其自旋角動量的具體數值由原子核的自旋量子數決定, 實驗結果顯示, 不同類型的原子核自旋量子數也不同 : 1. 質量數和質子數均為偶數的原子核, 自旋量子數為 0 2. 質量數為奇數的原子核, 自旋量子數為半整數 3. 質量數為偶數, 質子數為奇數的原子核, 自旋量子數為整數迄今為止, 只有自旋量子數等於 1/2 的原子核, 其核磁共振信號才能夠被人們利用, 經常為人們所利用的原子核有 : 1 H 11 B 13 C 17 O 19 F 31 P 由於原子核攜帶電荷, 當原子核自旋時, 會由自旋產生一個磁矩, 這一磁矩的方向與原子核的自旋方向相同, 大小與原子核的自旋角動量成正比 將原子核置於外加磁場中, 若原子核磁矩與外加磁場方向不同, 則原子核磁矩會繞外磁場方向旋轉, 這一現象類似陀螺在旋轉過程中轉動軸的擺動, 稱為進動 進動具有能量也具有一定的頻率 原子核進動的頻率由外加磁場的強度和原子核本身的性質決定, 也就是說, 對於某一特定原子, 在一定強度的的外加磁場中, 其原子核自旋進動的頻率是固定不變的 原子核發生進動的能量與磁場 原子核磁矩 以及磁矩與磁場的夾角相關, 根據量子力學原理, 原子核磁矩與外加磁場之間的夾角並不是連續分佈的, 而是由原子核的磁量子數決定的, 原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數之間跳躍, 而不能平滑的變化, 這樣就形成了一系列的能級 當原子核在外加磁場中接受其他來源的能量輸入後, 就會發生能級躍遷, 也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發生變化 這種能級躍遷是獲取核磁共振信號的基礎 為了讓原子核自旋的進動發生能級躍遷, 需要為原子核提供躍遷所需要的能量, 這一能量通常是通過外加射頻場來提供的 根據物理學原理當外加射頻場的頻率與原子核自旋進動的頻率相同的時候, 射頻場的能量才能夠有效地被原子核吸收, 為能級躍遷提供助力 因此某種特定的原子核, 在給定的外加磁場中, 只吸收某一特定頻率射頻場提供的能量, 這樣就形成了一個核磁共振信號 二 核磁共振的應用
NMR 技術 參見核磁共振頻譜學 NMR 技術即核磁共振譜技術, 是將核磁共振現象應用於分子結構測定的一項技 術 對於有機分子結構測定來說, 核磁共振譜扮演了非常重要的角色, 核磁共振 譜與紫外光譜 紅外光譜和質譜一起被有機化學家們稱為 四大名譜 目前對 核磁共振譜的研究主要集中在 1 H 和 13 C 兩類原子核的圖譜 對於孤立原子核而言, 同一種原子核在同樣強度的外磁 場中, 只對某一特定頻率的射頻場敏感 但是處於分子 結構中的原子核, 由於分子中電子雲分佈等因素的影 響, 實際感受到的外磁場強度往往會發生一定程度的變 化, 而且處於分子結構中不同位置的原子核, 所感受到 的外加磁場的強度也各不相同, 這種分子中電子雲對外 加磁場強度的影響, 會導致分子中不同位置原子核對不 同頻率的射頻場敏感, 從而導致核磁共振信號的差異, 這種差異便是通過核磁共振解析分子結構的基礎 原子 核附近化學鍵和電子雲的分佈狀況稱為該原子核的化學 環境, 由於化學環境影響導致的核磁共振信號頻率位置 的變化稱為該原子核的化學位移 耦合常數是化學位移之外核磁共振譜提供的的另一個重要信息, 所謂耦合指的是 臨近原子核自旋角動量的相互影響, 這種原子核自旋角動量的相互作用會改變原 子核自旋在外磁場中進動的能級分佈狀況, 造成能級的裂分, 進而造成 NMR 譜 圖中的信號峰形狀發生變化, 通過解析這些峰形的變化, 可以推測出分子結構中 各原子之間的連接關係 最後, 信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息, 處於相同化學環境的原子核在 核磁共振譜中會顯示為同一個信號峰, 通過解析信號峰的強度可以獲知這些原子 核的數量, 從而為分子結構的解析提供重要信息 表征信號峰強度的是信號峰的 曲線下面積積分, 這一信息對於 1 H-NMR 譜尤為重要, 而對於 13 C-NMR 譜而言, 由於峰強度和原子核數量的對應關係並不顯著, 因而峰強度並不非常重要 早期的核磁共振譜主要集中於氫譜, 這是由於能夠產生核磁共振信號的 1 H 原子 在自然界豐度極高, 由其產生的核磁共振信號很強, 容易檢測 隨著傅立葉變換 技術的發展, 核磁共振儀可以在很短的時間內同時發出不同頻率的射頻場, 這樣 就可以對樣品重複掃描, 從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區分出來, 這 使得人們可以收集 13 C 核磁共振信號 近年來, 人們發展了二維核磁共振譜技術, 這使得人們能夠獲得更多關於分子結 構的信息, 目前二維核磁共振譜已經可以解析分子量較小的蛋白質分子的空間結 構 1 異丙苯的 H-NMR 譜圖
MRI 技術參見核磁共振成像核磁共振成像技術是核磁共振在醫學領域的應用 人體內含有非常豐富的水, 不同的組織, 水的含量也各不相同, 如果能夠探測到這些水的分佈信息, 就能夠繪製出一幅比較完整的人體內部結構圖像, 核磁共振成像技術就是通過識別水分子中氫原子信號的分佈來推測水分子在人體內的分佈, 進而探測人體內部結構的技術 與用於鑒定分子結構的核磁共振譜技術不同, 核磁共振成像技術改編的是外加磁場的強度, 而非射頻場的頻率 核磁共振成像儀在垂直於主磁場方向會提供兩個相互垂直的梯度磁場, 這樣在人體內磁場的分佈就會隨著空間位置的變化而變化, 每一個位置都會有一個強度不同 方向不同的磁場, 這樣, 位於人體不同部位的氫原子就會對不同的射頻場信號產生反應, 通過記錄這一反應, 並加以計算處理, 可以獲得水分子在空間中分佈的信息, 從而獲得人體內部結構的圖像 核磁共振成像技術還可以與 X 射線斷層成像技術 (CT) 結合為臨床診斷和生理學 醫學研究提供重要數據 核磁共振成像技術是一種非介入探測技術, 相對於 X- 射線透視技術和放射造影技術,MRI 對人體沒有輻射影響, 相對於超聲探測技術, 核磁共振成像更加清晰, 能夠顯示更多細節, 此外相對於其他成像技術, 核磁共振成像不僅僅能夠顯示有形的實體病變, 而且還能夠對腦 心 肝等功能性反應進行精確的判定 在帕金森氏症 阿爾茨海默氏症 癌症等疾病的診斷方面,MRI 技術都發揮了非常重要的作用 MRS 技術參見核磁共振測深核磁共振探測是 MRI 技術在地質勘探領域的延伸, 通過對地層中水分佈信息的探測, 可以確定某一地層下是否有地下水存在, 地下水位的高度 含水層的含水量和孔隙率等地層結構信息 目前核磁共振探測技術已經成為傳統的鑽探探測技術的補充手段, 並且應用於滑坡等地質災害的預防工作中, 但是相對於傳統的鑽探探測, 核磁共振探測設備購買 運行和維護費用非常高昂, 這嚴重地限制了 MRS 技術在地質科學中的應用 核磁共振成像核磁共振成像 (Nuclear Magnetic Resonance Imaging, 簡稱 NMRI), 又稱自旋成像 (spin imaging), 也稱磁共振成像 (Magnetic Resonance Imaging, 簡稱 MRI), 臺灣又稱磁振造影, 是利用核磁共振 ( nuclear magnetic resonance, 簡稱 NMR) 原理,
依據所釋放的能量在物質內部不同結構環境中不同的衰減, 通過外加梯度磁場檢測所發射出的電磁波, 即可得知構成這一物體原子核的位置和種類, 據此可以繪製成物體內部的結構圖像 將這種技術用於人體內部結構的成像, 就產生出一種革命性的醫學診斷工具 快速變化的梯度磁場的應用, 大大加快了核磁共振成像的速度, 使該技術在臨床診斷 科學研究的應用成為現實, 極大地推動了醫學 神經生理學和認知神經科學的迅速發展 從核磁共振現象發現到 MRI 技術成熟這幾十年期間, 有關核磁共振的研究領域曾在三個領域 ( 物理 化學 生理學或醫學 ) 內獲得了 6 次諾貝爾獎, 足以說明此領域及其衍人腦縱切面的核磁共振成像生技術的重要性 一 物理原理 原理概述核磁共振成像是隨著電腦技術 電子電路技術 超導體技術的發展而迅速發展起來的一種生物磁學核自旋成像技術 醫生考慮到患者對 核 的恐懼心理, 故常將這門技術稱為磁共振成像 它是利用磁場與射頻脈衝使人體組織內進動的氫核 ( 即 H + ) 發生章動產生射頻信號, 經電腦處理而成像的 原子核在進動中, 吸收與原子核進動頻率相同的射頻脈衝, 即外加交變磁場的頻率等於拉莫頻率, 原子核就發生共振吸收, 去掉射頻脈衝之後, 原子核磁矩又把所吸收的能量中的一部分以電磁波的形式發射出來, 稱為共振發射 共振吸收和共振發射的過程叫做 核磁共振 核磁共振成像的 核 指的是氫原子核, 因為人體的約 70% 是由水組成的,MRI 即依賴水中氫原子 當把物體放置在磁場中, 用適當的電磁波照射它, 使之共振, 然後分析它釋放的電磁波, 就可以得知構成這一物體的原子核的位置和種類, 據此可以繪製成物體內部的精確立體圖像 數學運算 原子核帶正電並有自旋運動, 其自旋運動必將產生磁矩, 稱為核磁矩 研究表明, 核磁矩 μ 與原子核的自旋角動量 S 成正比, 即 式中 γ 為比例繫數, 稱為原子核的旋磁比 在外磁場中, 原子核自旋角動量的 空間取向是量子化的, 它在外磁場方向上的投影值可表示為
m 為核自旋量子數 依據核磁矩與自旋角動量的關係, 核磁矩在外磁場中的取向 也是量子化的, 它在磁場方向上的投影值為 對於不同的核,m 分別取整數或半整數 在外磁場中, 具有磁矩的原子核具有相 應的能量, 其數值可表示為 式中 B 為磁感應強度 可見, 原子核在外磁場中的能量也是量子化的 由於磁矩和磁場的相互作用, 自旋能量分裂成一系列分立的能級, 相鄰的兩個能級之差 ΔE = γhb 用頻率適當的電磁輻射照射原子核, 如果電磁輻射光子能量 hν 恰好為兩相鄰核能級之差 ΔE, 則原子核就會吸收這個光子, 發生核磁共振的頻率條件是 : 式中 ν 為頻率,ω 為角頻率 對於確定的核, 旋磁比 γ 可被精確地測定 可見, 通過測定核磁共振時輻射場的頻率 ν, 就能確定磁感應強度 ; 反之, 若已知磁感應強度, 即可確定核的共振頻率 二 系統組成 NMR 實驗裝置採用調節頻率的方法來達到核磁共振 由線圈向樣品發無線電磁波, 調變振盪器的作用是使射頻電磁波的頻率在樣品共振頻率附近連續變化 當頻率正好與核磁共振頻率吻合時, 射頻振蕩器的輸出就會出現一個吸收峰, 這可以在示波器上顯示出來, 同時由頻率計即刻讀出這時的共振頻率值 核磁共振譜儀是專門用於觀測核磁共振的儀器, 主要由磁鐵 探頭和譜儀三大部分組成 磁鐵的功用是產生一個恆定的磁場 ; 探頭置於磁極之間, 用於探測核磁共振信號 ; 譜儀是將共振信號放大處理並顯示和記錄下來 MRI 系統的組成 一 磁鐵系統 1. 靜磁場 : 又稱主磁場 當前臨床所用超導磁 鐵, 磁場強度有 0.2 到 7.0T( 特斯拉 ), 常見的 為 1.5T 和 3.0T; 動物實驗用的小型 MRI 則有 4.7T 7.0T 與 9.4T 等多種主磁場強度 另有勻 磁線圈 (shim coil) 協助達到磁場的高均勻度 2. 梯度場 : 用來產生並控制磁場中的梯度, 以實現 NMR 信號的空間編碼 這個 系統有三組線圈, 產生 x y z 三個方向的梯度場, 線圈組的磁場疊加起來, 可 現代臨床高場 (3.0T)MRI 掃描器
得到任意方向的梯度場 二 射頻系統 1. 射頻 (RF) 發生器 : 產生短而強的射頻場, 以脈衝方式加到樣品上, 使樣品中 的氫核產生 NMR 現象 2. 射頻 (RF) 接收器 : 接收 NMR 信號, 放大後進入圖像處理系統 三 電腦圖像重建系統由射頻接收器送來的信號經 A/D 轉換器, 把模擬信號轉換成數字信號, 根據與 觀察層面各體素的對應關係, 經電腦處理, 得出層面圖像數據, 再經 D/A 轉換 器, 加到圖像顯示器上, 按 NMR 的大小, 用不同的灰度等級顯示出欲觀察層面 的圖像 MRI 的基本方法 1. 選片梯度場 Gz 2. 相編碼和頻率編碼 3. 圖像重建三 技術應用 MRI 在醫學上的應用 一 原理概述氫核是人體成像的首選核種 : 人體各種組織含 有大量的水和碳氫化合物, 所以氫核的核磁共 振靈活度高 信號強, 這是人們首選氫核作為 人體成像元素的原因 NMR 信號強度與樣品中 氫核密度有關, 人體中各種組織間含水比例不 同, 即含氫核數的多少不同, 則 NMR 信號強度 有差異, 利用這種差異作為特徵量, 把各種組 織分開, 這就是氫核密度的核磁共振圖像 人 體不同組織之間 正常組織與該組織中的病變 組織之間氫核密度 弛豫時間 T1 T2 三個參數 的差異, 是 MRI 用於臨床診斷最主要的物理基 礎 三維重建核磁共振影像 當施加一射頻脈衝信號時, 氫核能態發生變化, 射頻過後, 氫核返回初始能態, 共振產生的電磁波便發射出來 原子核振動的微小差別可以被精確地檢測到, 經 過進一步的電腦處理, 即可能獲得反應組織化學結構組成的三維圖像, 從中我們
可以獲得包括組織中水分差異以及水分子運動的信息 這樣, 病理變化就能被記錄下來 人體 2/3 的重量為水分, 如此高的比例正是磁共振成像技術能被廣泛應用於醫學診斷的基礎 人體內器官和組織中的水分並不相同, 很多疾病的病理過程會導致水分形態的變化, 即可由磁共振圖像反應出來 MRI 所獲得的圖像非常清晰精細, 大大提高了醫生的診斷效率, 避免了剖胸或剖腹探查診斷的手術 由於 MRI 不使用對人體有害的 X 射線和易引起過敏反應的造影劑, 因此對人體沒有損害 MRI 可對人體各部位多角度 多平面成像, 其分辨力高, 能更客觀更具體地顯示人體內的解剖組織及相鄰關係, 對病灶能更好地進行定位定性 對全身各系統疾病的診斷, 尤其是早期腫瘤的診斷有很大的價值 二 磁共振成像的優點與 1901 年獲得諾貝爾物理學獎的普通 X 射線或 1979 年獲得諾貝爾醫學獎的電腦 斷層 (computerized tomography, CT) 相比, 磁共振成像的最大優點是它是目前少 有的對人體沒有任何傷害的安全 快速 準確的臨床診斷方法 如今全球每年至 少有 6000 萬病例利用核磁共振成像技術進行檢查 具體說來有以下幾點 : 1. 對軟組織有極好的分辨力 對膀胱 直腸 子宮 陰道 骨 關節 肌肉等部 位的檢查優於 CT; 2. 各種參數都可以用來成像, 多個成像參數能提供豐富的診斷信息, 這使得醫療 診斷和對人體內代謝和功能的研究方便 有效 例如肝炎和肝硬化的 T1 值變大, 而肝癌的 T1 值更大, 作 T1 加權圖像, 可區別肝部良性腫瘤與惡性腫瘤 ; 3. 通過調節磁場可自由選擇所需剖面 能得到其它成像技術所不能接近或難以接 近部位的圖像 對於椎間盤和脊髓, 可作矢狀面 冠狀面 橫斷面成像, 可以看 到神經根 脊髓和神經節等 不像 CT 只能獲取與人體長軸垂直的橫斷面 ; 4. 對人體沒有游離輻射損傷 ; 5. 原則上所有自旋不為零的核元素都可以用以成像, 例如氫 ( 1 H) 碳 ( 13 C) 氮 ( 14 N 和 15 N) 磷( 31 P) 等 三 MRI 的缺點及可能存在的危害雖然 MRI 對患者沒有致命性的損傷, 但還是給患者帶來了一些不適感 在 MRI 診斷前應當採取必要的措施, 把這種負面影響降到最低限度 其缺點主要有 : 1. 和 CT 一樣,MRI 也是解剖性影像診斷, 很多病變單憑核磁共振檢查仍難以確 診, 不像內視鏡可同時獲得影像和病理兩方面的診斷 ; 2. 對肺部的檢查不優於 X 射線或 CT 檢查, 對肝臟 胰腺 腎上腺 前列腺的檢 查不比 CT 優越, 但費用要高昂得多 ; 3. 對胃腸道的病變不如內視鏡檢查 ; 所人採類成腹像部脈冠衝狀序切列面 磁 TSE ) (
4. 掃描時間長, 空間分辨力不夠理想 ; 5. 由於強磁場的原因,MRI 對諸如體內有磁金屬或心律調節器的特殊病人卻不能適用 MRI 系統可能對人體造成傷害的因素主要包括以下方面 : 1. 強靜磁場 : 在有鐵磁性物質存在的情況下, 不論是埋植在患者體內還是在磁場範圍內, 都可能是危險因素 ; 2. 隨時間變化的梯度場 : 可在受試者體內誘導產生電場而興奮神經或肌肉 外周神經興奮是梯度場安全的上限指標 在足夠強度下, 可以產生外周神經興奮 ( 如刺痛或叩擊感 ), 甚至引起心臟興奮或心室振顫 ; 3. 射頻場 (RF) 的致熱效應 : 在 MRI 聚焦或測量過程中所用到的大角度射頻場發射, 其電磁能量在患者組織內轉化成熱能, 使組織溫度升高 RF 的致熱效應需要進一步探討, 臨床掃瞄器對於射頻能量有所謂 特定吸收率 (specific absorption rate, SAR) 的限制 ; 4. 造影劑的毒副作用 : 目前使用的造影劑主要為含釓的化合物, 副作用發生率在 2%-4% 四 MRI 在化學領域的應用 MRI 在化學領域的應用沒有醫學領域那麼廣泛, 主要是因為技術上的難題及成像 材料上的困難, 目前主要應用於以下幾個方面 : 1. 在高分子化學領域, 如碳纖維增強環氧樹脂的研究 固態反應的空間有向性研 究 聚合物中溶劑擴散的研究 聚合物硫化及彈性體的均勻性研究等 ; 2. 在金屬陶瓷中, 通過對多孔結構的研究來檢測陶瓷製品中存在的砂眼 ; 3. 在火箭燃料中, 用於探測固體燃料中的缺陷以及填充物 增塑劑和推進劑的分 佈情況 ; 4. 在石油化學方面, 主要側重於研究流體在岩石中的分佈狀態和流通性以及對油 藏描述與強化採油機理的研究 五 磁共振成像的其他發展核磁共振分析技術是通過核磁共振譜線特徵參數 ( 如譜線寬度 譜線輪廓形狀 譜線面積 譜線位置等 ) 的測定來分析物質的分子結構與性質 它可以不破壞被 測樣品的內部結構, 是一種完全無損的檢測方法 同時, 它具有非常高的分辨本 領和精確度, 而且可以用於測量的核也比較多, 所有這些都優於其它測量方法 因此, 核磁共振技術在物理 化學 醫療 石油化工 考古等方面獲得了廣泛的 應用 ------ 磁共振顯微術 (MR microscopy, MRM/μMRI) 是 MRI 技術中稍微晚一些發展
起來的技術,MRM 最高空間解析度是 4μm, 已經可以接近一般光學顯微鏡像的水準 MRM 已經非常普遍地用作疾病和藥物的動物模型研究 ------ 活體磁共振頻譜 (in vivo MR spectroscopy, MRS) 能夠測定動物或人體某一指定部位的 NMR 譜, 從而直接辨認和分析其中的化學成分 六 諾貝爾獲獎者的貢獻 2003 年 10 月 6 日, 瑞典卡羅林斯卡醫學院宣佈,2003 年諾貝爾生理學或醫學獎 授予美國化學家保羅 勞特伯 (Paul C. Lauterbur) 和英國物理學家彼得 曼斯菲爾 德 (Peter Mansfield), 以表彰他們在醫學診斷和研究領域內所使用的核磁共振成 像技術領域的突破性成就 勞特伯的貢獻是, 在主磁場內附加 一個不均勻的磁場, 把梯度引入磁 場中, 從而創造了一種可視的用其 他技術手段卻看不到的物質內部結 構的二維結構圖像 他描述了怎樣 把梯度磁體添加到主磁體中, 然後 能看到沉浸在重水中的裝有普通水 的試管的交叉截面 除此之外沒有 其他圖像技術可以在普通水和重水 之間區分圖像 通過引進梯度磁場, 可以逐點改變核磁共振電磁波頻率, 通過對 發射出的電磁波的分析, 可以確定其信號來源 曼斯菲爾德進一步發展了有關在穩定磁場中使用附加的梯度磁場理論, 推動了其 實際應用 他發現磁共振信號的數學分析方法, 為該方法從理論走嚮應用奠定了 基礎 這使得 10 年後磁共振成像成為臨床診斷的一種現實可行的方法 他利用 磁場中的梯度更為精確地顯示共振中的差異 他證明, 如何有效而迅速地分析探 測到的信號, 並且把它們轉化成圖像 曼斯菲爾德還提出了極快速的梯度變化可 以獲得瞬間即逝的圖像, 即面迴訊成像 (echo-planar imaging, EPI) 技術, 成為 20 世紀 90 年代開始蓬勃興起的功能磁共振成像 (functional MRI, fmri) 研究的主要 手段 值得一提的是,2003 年諾貝爾物理學獎獲得者 們在超導體和超流體理論上做出的開創性貢 獻, 為獲得 2003 年度諾貝爾生理學或醫學獎的 兩位科學家開發核磁共振掃描儀提供了理論基 礎, 為核磁共振成像技術鋪平了道路 由於他 們的理論工作, 核磁共振成像技術才取得了突 破, 使人體內部器官高清晰度的圖像成為可 雷蒙德 達馬蒂安的 用於癌組織 能 此外, 在 2003 年 10 月 10 日的 紐約時報 檢測的設備和方法 和 華盛頓郵報 上, 同時出現了佛納 (Fonar) 公司的一則整版廣告 : 雷蒙德
達馬蒂安 (Raymond Damadian), 應當與彼得 曼斯菲爾德和保羅 勞特布爾分享 2003 年諾貝爾生理學或醫學獎 沒有他, 就沒有核磁共振成像技術 指責諾貝爾獎委員會 篡改歷史 而引起廣泛爭議 事實上, 對 MRI 的發明權歸屬問題已爭論了許多年, 而且爭得頗為激烈 在學界看來, 由於幾個相關人物的長期宣傳, 達馬蒂安更多地被描繪成是一個生意人, 而不是科學家 不過, 有關的答案可能要相當長的依段時間以後才能有定論 參 結論 人腦是如何思維的, 一直是個謎 而且是科學家們關注的重要課題 而利用 MRI 的腦功能成像則有助於我們在活體和整體水準上研究人的思維 其中, 關於盲童的手能否代替眼睛的研究, 是一個很好的樣本 正常人能見到藍天碧水, 然後在大腦里構成圖像, 形成意境, 而從未見過世界的盲童, 用手也能摸文字, 文字告訴他大千世界, 盲童是否也能 看 到呢? 專家通過功能性 MRI, 掃描正常和盲童的大腦, 發現盲童也會像正常人一樣, 在大腦的視皮質部有很好的激活區 由此可以初步得出結論, 盲童通過認知教育, 手是可以代替眼睛 看 到外面世界的 快速掃描技術的研究與應用, 將使經典 MRI 成像方法掃描病人的時間由幾分鐘 十幾分鐘縮短至幾毫秒, 使因器官運動對圖像造成的影響忽略不計 ;MRI 血流成像, 利用流空效應使 MRI 圖像上把血管的形態鮮明地呈現出來, 使測量血管中血液的流向和流速成為可能 ;MRI 波譜分析可利用高磁場實現人體局部組織的波譜分析技術, 從而增加幫助診斷的信息 ; 腦功能成像, 利用高磁場共振成像研究腦的功能及其發生機制是腦科學中最重要的課題 有理由相信,MRI 將發展成為思維閱讀器 20 世紀中葉至今, 資訊科技和生命科學是發展最活躍的兩個領域, 專家相信, 作為這兩者結合物的 MRI 技術, 繼續向微觀和功能檢查上發展, 對揭示生命的奧秘將發揮更大的作用 核磁共振的注意事項由於核磁共振掃瞄需要利用強力磁場, 這個磁場會把身體內的親磁性金屬物質牽引出來, 因此必須很清楚知道是否有裝置人工關節 心臟節律器 人工心臟瓣膜 子宮內避孕器 或者針 螺絲釘 手術釘, 但手術釘夾 針等如果已經放置四到六週, 核磁共振並不會造成很大的危險性 你會被要求取下髮夾, 耳環手飾, 眼鏡或可動式假牙, 以免影響影像品質 如果曾經做過腦部手術或者有藥物過敏病史者, 請事先告知放射技術師或護士
肆 引註資料 (1) 維基百科 Wikipedia (2) 奇摩知識家