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核磁共振的基本原理知多少

2018-9-18 11:07:57

不管是用于化學(xué)的核磁共振光譜儀，還是醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的核磁共振成像儀，基本原理都是一樣的：原子核在磁場(chǎng)作用下發(fā)生能級(jí)分裂，在射頻脈沖作用下產(chǎn)生能級(jí)躍遷，從而產(chǎn)生信號(hào)。雖然其機(jī)理看著很像吸收光譜（absorption spectroscopy），但是其信號(hào)接收方式與吸收光譜很不一樣，因?yàn)樾盘?hào)探測(cè)器不直接檢測(cè)射頻電磁波信號(hào)的吸收值，而是檢測(cè)進(jìn)動(dòng)的宏觀磁矩在探測(cè)器線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電流，這倒是有點(diǎn)類似于發(fā)射光譜的原理；宏觀磁矩在射頻脈沖消失后會(huì)發(fā)生衰減，從而導(dǎo)致探測(cè)到的信號(hào)也是衰減的，這被稱為自由感應(yīng)衰減（Free Induction Decay，F(xiàn)ID）信號(hào)。經(jīng)過(guò)傅利葉變換，F(xiàn)ID信號(hào)可以被轉(zhuǎn)變?yōu)楹舜殴舱窆庾V，而通過(guò)探測(cè)人體的氫原子核（人體含水65%，而水中氫含量是11%，如果考慮到其他含氫的物質(zhì)，人體含有的氫原子總質(zhì)量高達(dá)體重的10%，Composition of the human body）的核磁共振參數(shù)可以構(gòu)建出人體的結(jié)構(gòu)，因?yàn)椴煌Y(jié)構(gòu)的氫原子的化學(xué)環(huán)境不同，導(dǎo)致其核磁共振的參數(shù)也有所不同。高靈敏度（或高分辨率）有助于獲得高清晰度的MRI圖片，而這依賴于高磁場(chǎng)強(qiáng)度。這也是為什么強(qiáng)磁場(chǎng)的相關(guān)研究很重要的一個(gè)原因。

強(qiáng)磁場(chǎng)，尤其是高度穩(wěn)定并且高度均勻的強(qiáng)磁場(chǎng)非常難獲得。

1）首先這要求低溫技術(shù)，液氦溫度-269°C；要讓大量液氦老老實(shí)實(shí)待在儀器內(nèi)，常用的方法是在外部加一個(gè)液氮（-196°C）夾套。

2）零部件加工精度需要保證磁場(chǎng)強(qiáng)度在放置樣品的區(qū)域恒定，因?yàn)檫@事關(guān)分辨率。

3）電子系統(tǒng)穩(wěn)定性要求極高，電壓的波動(dòng)等需要被壓制，否則破壞靈敏度甚至準(zhǔn)確度。

另外，信號(hào)檢測(cè)器需要能夠探測(cè)原子核產(chǎn)生的宏觀磁矩，這是極弱的，弱到連線圈的熱噪聲都可以影響其靈敏度，所以會(huì)出現(xiàn)用液氮冷卻的低溫探頭（cryo-probe）這樣的東西。

由于以上原因，核磁共振儀器的制造屬于高精尖的技術(shù)，所以全世界也沒(méi)幾個(gè)制造商，核磁共振光譜儀一般就是Bruker與Varian，核磁共振成像儀主要有Siemens，GE，Hitachi等，導(dǎo)致：
1）核磁共振儀器貴。一臺(tái)核磁共振成像儀耗資50萬(wàn)-100萬(wàn)美元，MRI Machine Cost and Price Guide，因此折舊也就貴，分?jǐn)偟綔y(cè)試費(fèi)用里也就貴。
2）核磁共振維護(hù)費(fèi)用高。核磁共振儀需要液氮與液氦維持超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)，即使在停機(jī)狀態(tài)也需要消耗液氮與液氦。

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