物理与工程 Vol 12 No 1 2002 随着核磁共振技术的 发展, 研制 出各种类型 核磁共振仪, 如连续波核磁共振谱仪 , 脉冲傅 里叶变换谱仪 . 3 核磁共振技术的应用
实现核磁 共振可采取两 种途径, 一种是 保持外磁场不变 , 而连续地改变入 射电磁波 频率; 另一种是用一定频率的电磁波照射, 而 调节磁场的强弱. 图 1 为核磁共振 现象的装 置示意图. 采用 调节频率的方法来 达到核磁 共振 . 样 品装在 小瓶中 , 并 置于磁 铁两 极之 间, 瓶外绕有线圈, 通有由射频振荡器输出的 射频电流, 于是, 由线 圈向样品发射 电磁波, 调制振荡器的作用是使射频电磁波的频率在 样品共振频率附近连续 变化. 当频 率正好与 核磁共振频率吻合时 , 射频振荡器 的输出就 会出现一个吸收峰 , 这可以在示波 器上显示 出来, 同时由频 率计即刻读出这时 的共振频 率值 .
核磁共振 是原子核在外 磁场中, 能级之 间共振跃迁的现象 . 我们知道, 原子核带正电 并有自旋运动, 其自旋运动必将产生磁矩, 称 为核磁矩. 研究表明, 核磁矩 与原子核的自 旋角动量 S 成正比, 即 式中 = S ( 1) 为比例系数, 称为原子核的旋磁比 . 在外磁场 中, 原子核 自旋角动量 的空间
取向是量子化的 , 它在外磁场方向 上的投影
48 适当的电磁辐射照射原 子核, 如果 电磁辐射 光子能量 h 恰好为两相 邻核能级之差 E, 则原子核就会吸收这个 光子, 发生 核磁共振 的频率条件是: h = h B = hB / 2 或 = 2 = B ( 5) 式中 为频率, 为圆频率 . 对于确定的核, 旋磁比 可被精确地测 定. 可见, 通过测定核磁共振时辐射场的频率 , 就能确定磁感应强度 ; 反之, 若已知磁感应 强度 , 即可确定核的共振频率 . 2 核磁共振实验装置
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核磁共振技术及应用
金永君 艾延宝 ( 黑龙江科技学院, 鸡西 158105)
( 收稿日期 : 2001 06 20)
摘
要 核磁共振分析技术是利用物理原理 , 通过对核磁共振谱线特征参数的测定来 分析物质的分子结构与性质. 它不破坏被测样品的内部结构 , 是一种无损检 测方法 . 本文重点简介了核磁共振技术在医疗方面的应用 核磁共振成 像 , 它已成为医学诊断中一种重要手段. 关键词 核磁共振技术; 无损检测 ; 应用
参 考 文 献
dM = Pm =
S
dPm
S
B= (
S
S
dPm )
B ( 2)ຫໍສະໝຸດ dPm = IdS
就是任意形状的载流线圈的磁矩, 故有 M = Pm B
[ 1] [ 2] [ 3] [ 4] 图3
戴同庆等 . 载流线圈的磁矩及 其在均匀磁 场中所受 磁 力矩公式的普遍证明 . 工科物理 , 2000, ( 4) . 程守洙等 . 普通物理 ( 2) 第五版 . 2000. 数学手册编写组 . 数学手册 . 人民教育出版社 , 1997. 康垂令 . 非平面线圈的磁矩 . 工科物理 , 1998, ( 3) .
THE TECHNOLOGY OF NUCLEAR MAGNETIC RESONANCE AND ITS APPLICA TIONS
Jin Yongjun Ai Yanbao
( Heilongjiang Science and Technology College, Jixi 158105)
Abstract The technology of nuclear magnetic resonance analysis can be used to determine the structure and the nature of molecules. It is a nondestructive test . This article introduces briefly its principle and its application in medical diagnosis. Key Words technology of the nuclear magnetic resonance; nondestruct ive test; applicat ion 核磁共振技术是利用原子核在磁场中的 能量变化获得有关原子 核的信息 , 是一种具 有极高分辨率的分析技术 . 1 核磁共振的物理原理 值可表示为 Iz = m h ( 2) m 为核自旋量子数 . 依据核磁 矩与自旋角动 量的关系 , 核磁 矩在外磁场中的取向 也是量子化的 , 它在磁 场方向上的投影值为 ( 3) z = m h 对于不同的核 , m 分别取整数或半整数 . 在外磁场 中, 具有磁 矩的原子核 具有相 应的能量 , 其数值可表示为 E=B = - zB = m h B ( 4) 式中 B 为磁感应强度 . 可见 , 原子核在外磁场 中的能量也是量子化 的. 由于磁 矩和磁场的 相互作用, 自 旋能量分裂成一系 列分立的能 级, 相邻的两个能级之差 E = h B . 用频率
图1
核磁共振实验装置示意图
核磁共振谱仪是专门用于观测核磁共振 的仪器 , 主要有磁铁, 探头和谱仪三大部分组 成. 磁铁的功用是产生一个恒定的磁场 , 探头 置于磁极之间, 用于探测核磁共振信号 ; 谱仪 是将共振信号放大处 理并显示和记 录下来.
核磁共振分析技术是通过核磁共振谱线 特征参数 ( 如谱线宽度 , 谱线轮廓形 状, 谱线 面积, 谱线位置等 ) 的测定来分析物质的分子 结构与性质 . 它可以不破坏被测 样品的内部 结构 , 是一种 完全无损的检 测方法. 同时, 它 具有非常高的分辨本 领和精确度 , 而且可以 用于测量的核也比较 多, 所有这 些都优于其 它测量方法 . 因此, 核 磁共振技术在 物理, 化 学, 医疗 , 石油化工 , 考古等方面 获得了广泛 的应用. 核磁共振成像在医疗方面显示出强大的 生命力, 已成为医学诊断中一种重要手段 . 它 可以对人体脊髓 , 脑, 肝, 肺等各 个器官直接 成像 , 勿 需借助 造影剂 , 并 有较理 想的 清晰 度, 可以观测 出血流量 , 显示心脏活 动. 它不 仅能显示形态 , 还能提供有关功 能的生化信 息, 从而大大地提高了诊断的准确性 , 有利于 对突 发性心 肌梗 塞和 肝瘤 等疾病 的早 期诊 治. 下面介绍 核磁共振技术用于 医学诊断方 面的一种新型显像技术 核磁共振成像亦 称核磁共振 CT. 我们知道 , 人体或其 它生物体中 大部分 ( 75% ) 是水 ( 含 氢核 ) , 这些水以 及其它含氢 分子的分布会因种种疾病而发生改变. 因此, 可以利用氢核的核磁 共振进行医学 诊断. 核 磁共振成像是核磁共 振技术、 图 像重建技术 和计算机技术相结合的产物. 核磁共振成像是以磁场值来标记生物体 中共振核的空间位置 . 将成像对 象置于一个 稳定磁场中, 通常 为 0 15T ~ 1 5T , 并用特定 的射频电磁波脉冲序 列照射, 使 人体内部原 子核产生核磁共振 , 脉冲消失后, 被激发的核 要逐渐恢复原来状态 , 同时以电磁辐射的 形 ( 下转第 50 页)
磁场均匀度 , 磁体系统是获得高质量图像的关 键; 射频发射的功用是产生交变射频磁场, 接 收系统是接收被测物体的核磁共振信号 ; 图像 重建和显示系统的功用不但能提供解剖图像, 而且还能提供分子结构和其它周围情况 , 以及 有关功能和生理化学方面的信息. 核磁共振成像与其它成像方式 ( 如 X 射 线断层摄影, 即 X 射线 CT ) 相比 , 有许多优点, 如可 以给出 断层 图像; 空间分 辨率 高, 可达 0 7mm~ 2mm; 是一种无任何损伤和放射性的 成像 方式 . 但这 种成像 方式速 度慢 , 造 价也 高. 目前, 核磁共振 CT 仅仅限于氢核, 但随着 磁体强度的提高 , 对碳 , 氧, 钠, 磷等核也会得 ( 完) 到满意的核磁共振图像.
( 上接第 48 页) 式把共振时吸收的能量释 放出来 , 这就是可检测的核磁共振信号 . 核磁 共振成像所用的磁场 是一个不均匀 的磁场, 磁场 在成像 对象 内各 处的强 度分 布是 已知 的, 与之相应的共振电磁波频率不同 . 改变电 磁波的频率, 就 可以得出被测对象 体内各处 的核磁共振信号. 通过计算机处理后 , 以三维 立体图像或二维断面像形式由显示器显示出 来. 将病态图与正常组织图像进行比较 , 即可 做出医疗诊断. 核磁共振 CT 主要由三个部分组成, 即磁 体系统 , 射频发射和接收系统, 图像重建和显 示系统 . 磁体系统又称主磁体, 它的功用是产 生静磁场, 磁体材料要求有很高的磁场强度和
S
这就是一般普通物理教材[ 2] 中给出的定义 . 对非平面载流线圈的磁 性可直接由 ( 2) 1 r dl 式给出 , 其中的面积矢量 d S = 2 L S 只是 一 个 数 学 运算 问 题 [ 3] , 无 需 将 P m = 1 [ 1] , [ 4 ] 2 L r d l 作为一个磁矩的新定义提出来 . 总之 , 本文对公式 ( 1) 的推证中避免了繁 杂的数学运算 , 突出了运用物理思想解决问 题的优越性 , 这对培养工科大学生的物理思 维方式而言, 有其积极的意义.
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4 对磁矩的讨论 由 ( 2) 式得平面载流线圈的磁矩 Pm = I
S
d S = IS
图2
场 B ( 图 3 ) 中的磁力矩为 d M = d Pm B , 则 曲面 S 上各电流回路元所受的磁力矩之和就 是整个载流线圈所受的磁力矩 , 为 M= 其中