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基本信息
| 中文名 | 核磁共振成像儀 |
| 外文名 | MRI |
| 又叫 | 核磁共振成像技術 |
| 應用年代 | 80年代 |
簡介
發(fā)展歷史
核磁共振成像儀
1946年，美國哈佛大學的珀塞爾和斯坦福大學的布洛赫發(fā)現(xiàn)，將具有奇數(shù)個核子（包括質子和中子）的原子核置于磁場中，再施加以特定頻率的射頻場，就會發(fā)生原子核吸收射頻場能量的現(xiàn)象，這就是人們最初對核磁共振現(xiàn)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(fā)現(xiàn)核磁共振現(xiàn)象之后很快就產(chǎn)生了實際用途，早期核磁共振主要用于對核結構和性質的研究，如測量核磁矩、電四極距、及核自旋等，化學家利用分子結構對氫原子周圍磁場產(chǎn)生的影響，發(fā)展出了核磁共振譜，用于解析分子結構，隨著時間的推移，核磁共振譜技術不斷發(fā)展，從最初的一維氫譜發(fā)展到碳譜、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年代以后，人們甚至發(fā)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。后來核磁共振廣泛應用于分子組成和結構分析，生物組織與活體組織分析，病理分析、醫(yī)療診斷、產(chǎn)品無損監(jiān)測等方面。
基本原理
核磁共振現(xiàn)象來源于原子核的自旋角動量在外加磁場作用下的運動。根據(jù)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(shù)值由原子核的自旋量子數(shù)決定，實驗結果顯示，不同類型的原子核自旋量子數(shù)也不同：質量數(shù)和質子數(shù)均為偶數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為0；質量數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為半整數(shù)；質量數(shù)為偶數(shù)，質子數(shù)為奇數(shù)的原子核，自旋量子數(shù)為整數(shù)。迄今為止，只有自旋量子數(shù)等于1/2的原子核，其核磁共振信號才能夠被人們利用，經(jīng)常為人們所利用的原子核有： 1H、11B、13C、17O、19F、31P。
由于原子核攜帶電荷，當原子核自旋時，會由自旋產(chǎn)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。將原子核置于外加磁場中，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(xiàn)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，對于某一特定原子，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(fā)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(jù)量子力學原理，原子核磁矩與外加磁場之間的夾角并不是連續(xù)分布的，而是由原子核 的磁量子數(shù)決定的，原子核磁矩的方向只能在這些磁量子數(shù)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后，就會發(fā)生能級躍遷，也就是原子核磁矩與外加磁場的夾角會發(fā)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(fā)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(jù)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。
主要參數(shù)
1.化學位移
同一種核在分子中因所處的化學環(huán)境不同，使共振頻率發(fā)生位移的現(xiàn)象。化學位移產(chǎn)生的原因是分子中運動的電子在外磁場下對核產(chǎn)生的磁屏蔽。屏蔽作用的大小可用屏蔽因子σ來表示。一般來說屏蔽因子σ 是一個二階張量，只有在液體中由于分子的快速翻滾，化學位移的各向異性被平均，屏蔽因子才表現(xiàn)為一常量。
核磁共振的共振頻率：
實際測定中化學位移是以某一參考物的譜線為標準，其他譜線都與它比較，即以一無因次的量δ表示化學位移的大小。常用參考物是四甲基硅(TMS)。
核磁共振成像儀
v參考， v樣品分別是參考物和被測樣品的共振頻率 Vo是儀器的工作頻率，化學位移的單位是(ppm百萬分之一)。
① 環(huán)流效應：生物分子中常有含大π共軛電子云的芳環(huán)或芳雜環(huán)，如Phe、His、Tyr、Trp、嘌呤、嘧啶以及卟啉環(huán)。原子核相對于這些環(huán)的距離，方位不同，受大π電子云產(chǎn)生的附加磁場的影響不同，對各核化學位移的影響亦不同。環(huán)流效應常用于生物分子的溶液構象研究。
② 順磁效應：Fe2 (高自旋態(tài))、CO2 、Mn2 等順磁離子及有機自由基（自旋標記化合物）中的不成對電子對周圍核的化學位移及弛豫過程會有很大的影響，利用這個效應可研究順磁離子周圍基團的狀況。
③ pH滴定效應：在不同pH條件下，各解離基團的解離狀況不一，造成附近基團有不同的化學環(huán)境，從而使得化學位移隨pH變化。
2. 耦合常數(shù)
核與核之間以價電子為媒介相互耦合引起譜線分裂的現(xiàn)象稱為自旋裂分。由于自旋裂分形成的多重峰中相鄰兩峰之間的距離被稱為自旋——自旋耦合常數(shù)，用 J表示。耦合常數(shù)用來表征兩核之間耦合作用的大小，具有頻率的因次，單位是赫茲。
一般來說由于自旋耦合使高分辨核磁共振波譜變得十分復雜，但是當化學位移之差Δ γ遠大于耦合常數(shù)時，一個含有 n個自旋量子數(shù)為1 I2的核的基團將會使其鄰近基團中核的吸收峰分裂為2 n1重峰，并且這 2 n1重峰的強度分布服從二項式系數(shù)分配公式(1 x)n。此為一級分裂波譜。
圖1中各峰由于自旋耦合而產(chǎn)生譜線裂分。耦合常數(shù)的大小與外加磁場的大小無關，與分子結構有關即與兩核之間鍵的數(shù)目及電子云的分布有關。一般來說，兩核之間相隔 3個以上的化學鍵之間的耦合被稱為遠程耦合， J值很小。如果兩核之間相隔四個或四個以上的單鍵， J值基本上等于零。
3. 譜峰強度
信號強度是核磁共振譜的第三個重要信息，處于相同化學環(huán)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(shù)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，即吸收峰積分曲線的高度與產(chǎn)生該吸收峰基團的粒子數(shù)成正比。圖1中苯環(huán)間位質子峰，苯環(huán)鄰位質子峰，α-CH質子峰，β-CH質子峰的積分強度之比為2∶2∶1∶2。
這一信息對于1H-NMR譜尤為重要，而對于13C-NMR譜而言，由于峰強度和原子核數(shù)量的對應關系并不顯著，因而峰強度并不非常重要。
4. 弛豫參數(shù)
從微觀機制上說，弛豫是由局部漲落磁場所引起的。偶極-偶極相互作用、分子轉動、化學位移各向異性、鄰近存在電四極核等等，都可以產(chǎn)生局部磁場。而固體中的晶格震動，液體中的Brown 運動等，使得局部磁場將隨時間漲落。弛豫過程的特性取決于分子運動的性質。由于分子運動是無規(guī)則的，局部漲落磁場也是一個隨機過程。此外，弛豫速率（即弛豫時間的倒數(shù)），具有可加和性。當存在多種弛豫機制時，總的弛豫速率是各種機制弛豫速率的總和。
①自旋-晶格弛豫時間（縱向弛豫時間） T1，核系統(tǒng)與周圍晶格相互作用，交換能量，使核系統(tǒng)恢復平衡，這一過程被稱為自旋－晶格弛豫過程，自旋－晶格弛豫過程的快慢可用自旋－晶格弛豫時間 T1來表征。 T1的單位是秒。
②自旋－自旋弛豫時間(橫向弛豫時間) T2，等同核之間的磁相作用被稱為自旋－自旋相互作用。等同核之間相互交換自旋態(tài)并不改變系統(tǒng)的總能量，卻縮短了系統(tǒng)在激發(fā)態(tài)的能級壽命。自旋－自旋弛豫時間 T2是核處于激發(fā)態(tài)的能級壽命，以秒為單位，它與譜線寬度有關
技術成就
保羅·勞特布爾（Paul Lauterbur），美國科學家。1985年至今，他擔任美國伊利諾伊大學生物醫(yī)學核磁共振實驗室主任。因在核磁共振成像技術領域的突破性成就，而和英國科學家彼得·曼斯菲爾德（Peter Mansfield）共同獲得2003年度諾貝爾生理學或醫(yī)學獎。于2007年3月27日在美國伊利諾伊州烏爾班納市逝世，享年77歲。
勞特布爾1929年生于美國俄亥俄州小城悉尼，1951年獲凱斯理工學院理學士，1962年獲費城匹茲堡大學化學博士。1963年至1984年間，勞特布爾作為化學和放射學系教授執(zhí)教于紐約州立大學石溪分校。在此期間，他致力于核磁共振光譜學及其應用的研究。勞特布爾還把核磁共振成像技術推廣應用到生物化學和生物物理學領域。
彼得· 曼斯菲爾德1933年出生于英國倫敦，1959年獲倫敦大學瑪麗女王學院理學士，1962年獲倫敦大學物理學博士學位。1962年到1964年擔任美國伊利諾伊大學物理系助理研究員，1964年到英國諾丁漢大學物理系擔任講師，現(xiàn)為該大學物理系教授。除物理學之外，曼斯菲爾德還對語言學、閱讀和飛行感興趣，并擁有飛機和直升機兩用的飛行員執(zhí)照。他進一步發(fā)展了有關在穩(wěn)定磁場中使用附加的梯度磁場的理論，為核磁共振成像技術從理論到應用奠定了基礎。
瑞典卡羅林斯卡醫(yī)學院6日宣布，2003年諾貝爾生理學或醫(yī)學獎授予美國科學家保羅·勞特布爾和英國科學家彼得·曼斯菲爾德，以表彰他們在核磁共振成像技術領域的突破性成就。他們的成就是醫(yī)學診斷和研究領域的重大成果。
在科學家成果的基礎上，第一臺醫(yī)用核磁共振成像儀于20世紀80年代初問世。后來，為了避免人們把這種技術誤解為核技術，一些科學家把核磁共振成像技術的“核”字去掉，稱為其為“磁共振成像技術”，英文縮寫即MRI。
核磁共振成像技術的最大優(yōu)點是能夠在對身體沒有損害的前提下，快速地獲得患者身體內部結構的高精確度立體圖像。利用這種技術，可以診斷以前無法診斷的疾病，特別是腦和脊髓部位的病變；可以為患者需要手術的部位準確定位，特別是腦手術更離不開這種定位手段；可以更準確地跟蹤患者體內的癌變情況，為更好地治療癌癥奠定基礎。此外，由于使用這種技術時不直接接觸被診斷者的身體，因而還可以減輕患者的痛苦。
目前核磁共振成像儀在全世界得到初步普及，已成為最重要的診斷工具之一。2002年，全世界使用的核磁共振成像儀共有2.2萬臺，利用它們共進行了約6000萬人次的檢查。
現(xiàn)代發(fā)展
開發(fā)出世界掃描能力最強醫(yī)用核磁共振成像儀
美國伊利諾伊大學芝加哥分校2007年12月4日宣布，該校研制的高強度的核磁共振成像儀已經(jīng)完成了安全測試，即將投入臨床使用。這將是世界上掃描能力最強的醫(yī)用核磁共振成像設備。
根據(jù)美國食品和藥物管理局的規(guī)定，此類設備投入使用前必須進行嚴格的人體安全測試。
研究人員說，在兼顧安全性的前提下，這種高強度的核磁共振成像儀的掃描能力將大大提高，能幫助醫(yī)生更早地檢測疾病，更好地監(jiān)測疾病進程。醫(yī)生將可以實時地觀測人腦內的新陳代謝等生物過程，有助于針對不同患者制定“個性化”治療方案。
例如，將來醫(yī)生可以利用高強度的掃描儀，實時觀察患者大腦內腫瘤對治療方案的響應情況，隨時調整放療劑量等。而目前，醫(yī)生通常要等好幾個星期才能觀察到腫瘤在治療方案作用下是否開始縮減。醫(yī)生將來甚至可能觀測到，在整個腫瘤縮減之前內部的單個細胞是否已開始死亡。
美國弗吉尼亞大學華人科學家王成波領導的研究小組開發(fā)出一種新型氦氣彌散核磁共振成像技術，在2008年5月17日前于加拿大舉行的第16屆國際核磁共振學會年會上獲得青年科學家臨床醫(yī)學獎。與會專家認為，這種新技術有望推進肺部疾病的研究和治療，具有應用前景。
長期以來，醫(yī)學研究人員推測哮喘病可能會引起肺部深層組織病變，但由于技術障礙，這個推測始終難以得到證實。王成波17日接受新華社記者采訪時說，與普通核磁共振成像不同，在氦氣核磁共振成像中，患者吸入一種特殊氦氣——氦的同位素氣體。通過測量這種氦氣分子的彌散距離，科學家們可以探測到包括肺部微小氣管在內的深層組織損害。
王成波的研究小組發(fā)現(xiàn)，氦氣核磁共振成像探測到的肺部深層組織損害與已知的哮喘病中普通的氣管緊縮完全不同。
此外，這種肺部深層組織病變對最強力的哮喘激素藥物沒有反應，他們懷疑這可能揭示了哮喘頻繁發(fā)作的深層原因。王成波說，他們使用的特殊氦氣對人體安全，其獨特之處在于可以通過激光激化的方法大大增強核磁共振信號。目前這種氦氣彌散核磁共振成像技術仍處于試驗研究階段，基本成像成本稍高于普通的核磁共振成像。
技術應用
NMR
NMR技術即核磁共振譜技術，是將核磁共振現(xiàn)象應用于分子結構測定的一項技術。對于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1H和13C兩類原子核的圖譜。
核磁共振的特點：①共振頻率決定于核外電子結構和核近鄰組態(tài)；②共振峰的強弱決定于該組態(tài)在合金中所占的比例；③譜線的分辨率極高。
早期的核磁共振譜主要集中于氫譜，這是由于能夠產(chǎn)生核磁共振信號的1H原子在自然界豐度極高，由其產(chǎn)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(fā)展，核磁共振儀可以在很短的時間內同時發(fā)出不同頻率的射頻場，這樣就可以對樣品重復掃描，從而將微弱的核磁共振信號從背景噪音中區(qū)分出來，這使得人們可以收集13C核磁共振信號。
近年來，人們發(fā)展了二維核磁共振譜技術，這使得人們能夠獲得更多關于分子結構的信息，目前二維核磁共振譜已經(jīng)可以解析分子量較小的蛋白質分子的空間結構。
生物學中應用
核磁共振波譜技術用來研究生物大分子有如下特點：
①不破壞生物高分子結構（包括空間結構）。
②在溶液中測定符合生物體的常態(tài)，也可測定固體樣品，比較晶態(tài)和溶液態(tài)的構象異同。
③不僅可用來研究構象而且可用來研究構象變化即動力學過程。
⑤可用來研究活細胞和活組織。
在生物學研究中最常用的是1H，13C，31P譜，此外還有15N，19F等。1H譜發(fā)展最早，1H在生物體中無所不在，核磁相對靈敏度高，故應用最廣，包括用于核磁成像。缺點是含氫基團極多，譜線易重疊而不易解析。碳亦為生物體內重要元素，但12C自旋為零，13C天然豐度低，僅為1.1%，對等數(shù)量的核在相同磁場下其靈敏度只及1H的1.6%。其優(yōu)點是化學位移范圍寬，在寬帶去耦條件下進行實驗，波譜簡單，易分辨，隨著測定技術及13C標記方法的發(fā)展，13C 譜已有極廣泛的應用。31P譜常用于活組織測定，觀察ATP等含磷化合物的代謝過程，并已用于核磁成像。
NMR在生物學研究中范圍很廣。主要有：
熱力學研究：如測定酶與底物、配基、抑制劑的結合常數(shù)；測定可解離基團的 pK值，特別是能測定生物大分子中分處不同微環(huán)境的同類殘基的同類基團的不同 pK值，這是其他方法所不及的；還可測定相變溫度，Δ G等其他熱力學參數(shù)。
動力學研究：監(jiān)測反應進程，測定各組分隨時間的變化；通過變溫實驗和線形分析，測平衡過程的動力學常數(shù)，包括某些生化反應的反應速率，研究分子間（如酶與抑制劑，DNA與藥物）相互作用的動力學過程。
參考資料
[1]
青年人應有大志向 投身科學事業(yè)2020-05-07T11:40:43+08:00[引用日期2022-06-23 12:30:14]
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作者
