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    核磁共振的基本原理知多少

    2018-9-18 11:07:57

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      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:原子核在磁場作用下發(fā)生能級分裂,在射頻脈沖作用下產(chǎn)生能級躍遷,從而產(chǎn)生信號。雖然其機理看著很像吸收光譜(absorption spectroscopy),但是其信號接收方式與吸收光譜很不一樣,因為信號探測器不直接檢測射頻電磁波信號的吸收值,而是檢測進動的宏觀磁矩在探測器線圈中感應(yīng)產(chǎn)生的電流,這倒是有點類似于發(fā)射光譜的原理;宏觀磁矩在射頻脈沖消失后會發(fā)生衰減,從而導(dǎo)致探測到的信號也是衰減的,這被稱為自由感應(yīng)衰減(Free Induction Decay,F(xiàn)ID)信號。經(jīng)過傅利葉變換,F(xiàn)ID信號可以被轉(zhuǎn)變?yōu)楹舜殴舱窆庾V,而通過探測人體的氫原子核(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),因為不同結(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,而這依賴于高磁場強度。這也是為什么強磁場的相關(guān)研究很重要的一個原因。
    強磁場,尤其是高度穩(wěn)定并且高度均勻的強磁場非常難獲得。
    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實待在儀器內(nèi),常用的方法是在外部加一個液氮(-196°C)夾套。
    2)零部件加工精度需要保證磁場強度在放置樣品的區(qū)域恒定,因為這事關(guān)分辨率。
    3)電子系統(tǒng)穩(wěn)定性要求極高,電壓的波動等需要被壓制,否則破壞靈敏度甚至準(zhǔn)確度。
    另外,信號檢測器需要能夠探測原子核產(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),所以全世界也沒幾個制造商,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。一臺核磁共振成像儀耗資50萬-100萬美元,MRI Machine Cost and Price Guide,因此折舊也就貴,分攤到測試費用里也就貴。
    2)核磁共振維護費用高。核磁共振儀需要液氮與液氦維持超導(dǎo)磁體產(chǎn)生的強磁場,即使在停機狀態(tài)也需要消耗液氮與液氦
     
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