核磁共振的医学应用

核磁共振是指处于静磁场中的某种物质受到特定频率的电磁波作用时，其原子核发生能级共振跃迁的现象。医学上利用这一现象可对各种物质的成分和结构进行分析。七十年代以来又形成了计算机辅助的核磁共振显象技术，已开始用于脏器显象。
核磁共振原理 自然界约有一半核素的原子核有自旋特性，因而有一定的角动量p，其大小可由自旋量子数I来计算。例如¹H、¹³C、³¹p的I为1/2,²H和¹⁴N的I为1, ¹¹B、³⁵Cl、8¹Br的I为3/2。质子数和中子数同为偶数的核(如¹²C、¹⁶O)则I为零。I>0的核带电荷，自旋时形成磁场，有相应的磁矩μ。磁矩与角动量的比值称为旋磁比，常以γ表示，是一个由原子核本身内在性质决定的常数。
如果某物质处于静磁场中，则p与μ大小不同或方向不同的各原子核将处于不同能级。此时，若再有一电磁波作用于静磁场中的原子核，方向与静磁场方向垂直，而且它的能量（决定于频率）正好等于原子核相邻能级的差额，则原子核吸收这分能量而由低能级跃迁到高能级。这就是共振跃迁，是核磁共振的本质。
为了形象地理解上述概念，可将自旋核比拟为一个小陀螺，自旋的角动量p方向为陀螺自转轴的轴向。当μ的方向与静磁场H₀的方向不同时，原子核的轴向将因H0的影响而沿一圆锥面围绕H₀的方向而旋转，这与引力场下陀螺旋进运动类似，称为拉摩运动，其旋转频率则称为拉摩频率。此时如再外加一方向与H0垂直的电磁波，并使其频率与拉摩频率相同，则与原子核发生共振，导致自转轴的倾角改变，从而其能量状态也改变。这就是核磁共振。
实际工作中遇到的不是单个原子核，所以还需引入磁化强度矢量M，即单位体积中全部原子核磁矩的矢量和。无外磁场作用时，各原子核的磁矩方向是任意的，M为零。若沿某一Z轴方向施加静磁场H₀，则M不再为零，且与H0平行。此时如果再外加一垂直于H0的电磁波，频率等于拉摩频率，就会使M作为一个整体产生拉摩频率，M与H₀的方向偏离，呈圆锥形地绕H0转动，转动的频率是

ω=γ·H₀

式中ω为频率，γ是旋磁比，H₀是磁场强度。
上述方程称为共振方程。通常的核磁共振仪可以通过改变磁场强度（调磁）或电磁波频率（调频）来达到共振。
如果所加电磁波是脉冲式的，则脉冲去除后原子核逐渐回复到初始平衡状态。这一放能过程称为弛豫。弛豫时放出的能量以电磁波形式向周围发射，频率同样是ω=γ·H₀，可以用一定仪器检测，其信号称为自由感应衰变(FID)信号。
弛豫包括横向与纵向两方面。前者表现为M在垂直于H0的平面上形成的横向投影逐步回复到零，是各原子核磁矩相互作用的结果，故也称自旋-自旋弛豫，相应的时间称为横向或自旋-自旋弛豫时间，习惯上以T2表示。后者表现为M的纵向投影逐步回复到初始值，是原子核与周围介质不断进行热交换的结果，故也称自旋-晶格弛豫，相应的时间称纵向或自旋-晶格弛豫时间，习惯上用T1表示。现代核磁共振仪能比较准确地测定T₁及T₂。
核磁共振在医学上的应用 分为核磁共振波谱学与核磁共振显象两大类。
核磁共振波谱学通过测定物质的核磁共振谱及T₁、T₂分析物质的成分和结构。特别是测定化学位移(即由于不同化学基团的存在，导致共振频率发生不同的变化，在核磁共振谱上表现为吸收峰位置的移动)对于物质结构的研究有极广泛的用途。此外，上述参量也可反映物质密度、粘度、流速等宏观性质。核磁共振谱仪有连续波型、脉冲型及脉冲傅里叶变换型三类。连续波型主要给出共振谱，脉冲型主要用于测定T₁与T_2,脉冲傅里叶变换型则运用计算机技术取得共振谱及弛豫过程的信息。
核磁共振显象是一种新的脏器显象。这种技术不仅根据组织的物理密度成象，而且由于是以某种核素的核磁共振为基础，同时还能反映不同的弛豫时间，形成综合的加权图象，所以即使物理密度相近，只要化学构成不同，往往也能得到良好的分辨。由于这种特性，这种方法不只提供解剖形态的信息，而且可提供内脏功能状态、生理生化过程的信息。目前用于人体显象的装置大多是质子成象，包括一块人体能平卧其中的大磁铁，一组射频线圈提供所需频率的电磁波，以及探测共振吸收的部位及吸收强度的部件。后者给出的信息由计算机加工成象。已经对成象理论及设备进行了多方面的研究。八十年代以来研究的重点集中在技术指标的提高与经济实用性的改进，以及对非氢原子核成象的研究。在未来的几年中，核磁共振技术在临床显象、基础医学以及生物物理、生物化学中的应用可能得到迅速发展。