核磁共振 核磁共振(Nuclear Magnetic Resonance下面简称NWR)是电磁波与物质相互作用的 一种基本物理现象。是原子核的磁矩在恒定磁场和高须磁场的同时作用下，且满足一定条件 时所发生的共振吸收现象。而核磁共振技术是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关 于核信息的技术 核磁共振现象是于1945年12月和1946年1月，分别由哈佛大学的爱德华·柏塞尔 (Edward.Mills..Purcell)和斯坦福大学的费利克斯布洛克(Felix..Bloch)这两个研 究小组各自独立观测发现的。他们因此共享了1952年的诺贝尔物理学奖。 N哪证明了核自旋的存在，为量子力学的一些基本原理提供了直接的验证，并且首次实 现了能级反转，首次实现了烧洞实验，这些为激光的产生和发展奠定了坚实的基础。此外， MR中的白由感应衰减，自旋回波等实验现象引用到光学后，则发展成为具有重要科学价值 的非线形光学。 近60年来，随着核磁共振理论的不新发展和完善，再加上计算机技术的飞速发展，由 核磁共振转化为探索物质微观结枸和性质的高新技术已取得了惊人的进展，有多位科学家因 对核磁共振的相关研究和杰出贡献而获得诺贝尔奖。多维核磁共振技术(2D-R,3D-NM 等)使核磁共振由一维发展到多维，使其更加完善并得到更加广泛的应用。目前，核磁共振 技术己广泛应用于物理学、化学、材料科学、生命科学等领域。核磁共振己形成一门完整的 新学科，核磁共振技术成为了研究物质结构的一个非常重要的工具，在人类社会中发挥重要 的作用。 R.布洛E柏塞尔 一、核磁共振的基本原理 1、原子自能与核磁共振现象 原子核带有正电荷，可将其看作电荷均匀分布的一个小球体，若原子核存在自旋，则饶 自旋轴转动时有循环的电流而产生磁场。所以如同电子具有白旋角动量和白旋磁矩一样，原 子核也具有自旋角动量和自旋磁矩（核自旋角动量是原子核内所有核子的自旋角动量与轨道
核磁共振 核磁共振（Nuclear Magnetic Resonance 下面简称 NMR）是电磁波与物质相互作用的 一种基本物理现象。是原子核的磁矩在恒定磁场和高频磁场的同时作用下，且满足一定条件 时所发生的共振吸收现象。而核磁共振技术是一种利用原子核在磁场中的能量变化来获得关 于核信息的技术。 核磁共振现象是于 1945 年 12 月和 1946 年 1 月，分别由哈佛大学的爱德华•柏塞尔 （Edward.Mills. Purcell）和斯坦福大学的费利克斯•布洛克 （Felix. Bloch） 这两个研 究小组各自独立观测发现的。他们因此共享了 1952 年的诺贝尔物理学奖。 NMR 证明了核自旋的存在，为量子力学的一些基本原理提供了直接的验证，并且首次实 现了能级反转，首次实现 了烧洞实验，这些为激光的产生和发展奠定了坚实的基础。此外， NMR 中的自由感应衰减，自旋回波等实验现象引用到光学后，则发展成为具有重要科学价值 的非线形光学。 近 60 年来，随着核磁共振理论的不断发展和完善，再加上计算机技术的飞速发展，由 核磁共振转化为探索物质微观结构和性质的高新技术已取得了惊人的进展。有多位科学家因 对核磁共振的相关研究和杰出贡献而获得诺贝尔奖。多维核磁共振技术（2D-NMR, 3D-NMR 等）使核磁共振由一维发展到多维，使其更加完善并得到更加广泛的应用。目前，核磁共振 技术已广泛应用于物理学、化学、材料科学、生命科学等领域。核磁共振已形成一门完整的 新学科，核磁共振技术成为了研究物质结构的一个非常重要的工具，在人类社会中发挥重要 的作用。 F. 布洛 E.M. 柏塞尔 一、核磁共振的基本原理 1、原子自旋与核磁共振现象 原子核带有正电荷，可将其看作电荷均匀分布的一个小球体，若原子核存在自旋，则绕 自旋轴转动时有循环的电流而产生磁场。所以如同电子具有自旋角动量和自旋磁矩一样，原 子核也具有自旋角动量和自旋磁矩（核自旋角动量是原子核内所有核子的自旋角动量与轨道
角动量的失量和)： 自旋角动量： 会@=@可 2元 (1) 式中是曾侧克常数：了为自旋量子数。自旋量子数I不为零的核都具有磁矩，其中I -12的原子如：'有，”℃"r,"P等，是核聪共振研究的主要对象，其原子收可看作枚电 荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自能，有磁矩产生。 丛=m品=吗 y= 2为 核磁矩： (2) 式中一为核的质量：鄙称为核的朗德因子，它取决于枝的内部结构与特性。且是 个无量纲的量。”为磁旋比，它是自旋楼的磁矩和角动量之间的比值，因此是各种核的特征 常数。 当自旋枝处于磁场强度为B·的外题场中时（如图1），枝继矩在外感场的作用下除白 能外，还会烧B,运动一一即进动《拉莫进动)，进动频率为，自旋核进动的角速度0与 外磁场强度B成正比。比例常数即为圈旋比？： a=2v=rB。 (3) 若再在垂直于B·的方向加一个颜率在射颜范围的交变磁场及当其颇率与楼磁矩能进 坝率一致时，便产生共振吸收！当射频场核量去后，磁场又把这部分能量以辐射形式释政出 来，这就是共显发射。这种共振吸收和共振发射的过程称为核磁共振。 2,核磁共振的条件 图1原子自旋及进动
角动量的矢量和）。 自旋角动量 ： （1） 式中 h 是普朗克常数；I 为自旋量子数，自旋量子数 I 不为零的核都具有磁矩。其中 I ＝1/2 的原子核如： 等，是核磁共振研究的主要对象，其原子核可看作核电 荷均匀分布的球体，并象陀螺一样自旋，有磁矩产生。 核磁矩 ： （2） 式中 mm 为核的质量； 称为核的朗德因子，它取决于核的内部结构与特性，且是一 个无量纲的量。 为磁旋比，它是自旋核的磁矩和角动量之间的比值，因此是各种核的特征 常数。 当自旋核处于磁场强度为 的外磁场中时（如图 1），核磁矩在外磁场的作用下除自 旋外，还会绕 运动——即进动（拉莫进动）。进动频率为 V，自旋核进动的角速度 与 外磁场强度 成正比，比例常数即为磁旋比 ： （3） 若再在垂直于 的方向加一个频率在射频范围的交变磁场 B，当其频率与核磁矩旋进 频率一致时，便产生共振吸收；当射频场被撤去后，磁场又把这部分能量以辐射形式释放出 来，这就是共振发射。这种共振吸收和共振发射的过程称为核磁共振。 2、核磁共振的条件 图 1 原子自旋及进动
当置于外如磁场中时，相对于外塑场，微观磁矩在外幽场中的取向是景子化的，自 旋量子数为1的原子核在外磁场作用下只可修有21个取向，每一个取向都可以用一个自 旋磁量子数1来表示。m!称为核白旋磁量子数，m与1之间的关系是：m,一「，上1， 上2-上。即1一定时，可以有(2+1)种取向，1有(21)个取值，最大值为。 所以在外磁场中，当/确定时，这时自旋角动量及磁矩与核自旋磁量子数/成正比， 而自旋角动量乃和碳矩“在外疆场方向《设磁场沿：方向》的投影分别为： P=m,h (4) A=P=m九 (5) 《通常将！取最大植时的“称为格的矩，由上式即有：上=所) 而原子核的每一种取向（每一个自戴磁量子数网！值）都代表了核在该聪场中的一种能 量状志，其能量可以从下式求出： E=一民=洲，民 (6) 由于同一I下有(21)个1值，因而原来的一个核能级附加上相互作用能。将会有 (21)个能量值。称为子能缓。由(6)式，其相g两个子能级的能量差（因其恩1植相差 为1)： 4E=执民 (7) 例如'H(氢核)的白旋最子数是P1/2,所以白旋题量子数：士1/2，即氢原子核 在外慧场中应有两种取向（如图2》。“H的两种取向代表了两种不同的能级：(1）与外磁 场平行，能量低，磁量子数！=十1/2：(2)与外磁场相反，能最高，磁量子数/=一1/2， 所以两种进动取向不同的氢核之间的能级差，A~吗。 让处于外感场司中的白旋核接受一个适当频率的电磁波辐射，辐射的能景(=加)检 好等于该自能核的两个相忽能级的差，即加=服那么就可观察到此原子核从低修级到相 邻高能级的跃迁一一即核通共叛
当置于外加磁场 中时，相对于外磁场，微观磁矩在外磁场中的取向是量子化的，自 旋量子数为 I 的原子核在外磁场作用下只可能有 2I+1 个取向，每一个取向都可以用一个自 旋磁量子数 来表示。 称为核自旋磁量子数, 与 I 之间的关系是： ，I-1， I-2…-I。即 I 一定时，可以有（2I+1）种取向， 有（2I+1）个取值，最大值为 I。 所以在外磁场中，当 I 确定时，这时自旋角动量及磁矩与核自旋磁量子数 成正比， 而自旋角动量 和磁矩 在外磁场方向（设磁场沿 z 方向）的投影分别为： （4） （5） （通常将 取最大值 I 时的 称为核的磁矩，由上式即有： ） 而原子核的每一种取向（每一个自旋磁量子数 值）都代表了核在该磁场中的一种能 量状态，其能量可以从下式求出： （6） 由于同一 I 下有（2I+1）个 值，因而原来的一个核能级附加上相互作用能，将会有 （2I+1）个能量值，称为子能级。由（6）式，其相邻两个子能级的能量差（因其 值相差 为 1）: （7） 例如 （氢核）的自旋量子数是 I=1/2，所以自旋磁量子数 = ±1/2，即氢原子核 在外磁场中应有两种取向（如图 2）。 的两种取向代表了两种不同的能级：（1）与外磁 场平行，能量低，磁量子数 ＝＋1/2；（2）与外磁场相反，能量高，磁量子数 ＝－1/2。 所以两种进动取向不同的氢核之间的能级差： 。 让处于外磁场 中的自旋核接受一个适当频率的电磁波辐射，辐射的能量（E=hn）恰 好等于该自旋核的两个相邻能级的差，即 hn = DE，那么就可观察到此原子核从低能级到相 邻高能级的跃迁——即核磁共振
在外瑙场，中，厚子核由板能级向高能级跃赶需要吸收能最。因此'H发生核磁共损 的条件是必须使电磁波的辐射颜率等于'H的进动频率，即交变磁场的频率旷所对应的能量 应等于相部子陵级的脆量差： E=hv=h瓦 (8) 由拉莫进动方程(3)式符：®8，，所以发生核磁共振的条件应是： (1)核有自旋： 《2)有外磁场： (3) 幅射频率”与外磁场司的比值：2m即=yB (9) AE-Mb 图2氢核的取向及能圾 对于同一种核，磁旋比”为定值，马变，辐射顿顾半「变。但对不同的原子核，醴旋 比”不同，产生共叛的条件不用，需要的疆场强度司和射顿颜率？不同。 要实现核磁共振，可以采用两种方法。一件是固定醴场强度品，逐渐改变电磁被的辐 射颜半？进行扫描，当？与匹配时，发生核磁共银。另一种方法是胃定辐射波的辐射 频率尾然后从低场到高场。逐渐改变磁场强度，当与区配时，也会发生核磁共振。 这种方法称为日场。一般仪墨都采用扫场的方法。 3、核磁共据波话仪 用来产生和获取共振信号的仪器为核磁共根被讲仪。 当受到强磁场加速的原子束再加以一个已知類率的竭振荡磁场时，原子核就要吸收某些
在外磁场 中，原子核由低能级向高能级跃迁需要吸收能量。因此 发生核磁共振 的条件是必须使电磁波的辐射频率等于 的进动频率，即交变磁场的频率 V 所对应的能量 hV 应等于相邻子能级的能量差: （8） 由拉莫进动方程（3）式得： , 所以发生核磁共振的条件应是： （1） 核有自旋； （2） 有外磁场 ； （3） 辐射频率 与外磁场 的比值： 即 （9） 图 2 氢核的取向及能级 对于同一种核，磁旋比 为定值， 变，辐射频频率 V 变。但对不同的原子核，磁旋 比 不同，产生共振的条件不同，需要的磁场强度 和射频频率 V 不同。 要实现核磁共振，可以采用两种方法。一种是固定磁场强度 ，逐渐改变电磁波的辐 射频率 V，进行扫描，当 V 与 匹配时，发生核磁共振。另一种方法是固定辐射波的辐射 频率 V，然后从低场到高场，逐渐改变磁场强度 ，当 与 V 匹配时，也会发生核磁共振。 这种方法称为扫场。一般仪器都采用扫场的方法。 3、核磁共振波谱仪 用来产生和获取共振信号的仪器为核磁共振波谱仪。 当受到强磁场加速的原子束再加以一个已知频率的弱振荡磁场时，原子核就要吸收某些
规率的能量，同时跃迁到较高的磁场亚层中。通过测定原子束在频率逐布变化的磁场中的强 度，就可测定原子核吸收顿率的大小。 目前使用的核磁共根仪有连续被(N)及瞰冲傅里叶(FT)变换两种形式，连铁被核 醚共振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器和放大器、记录仪等组成。磁铁月米产生磁场， 射顾发射器用来产生固定顿率的电磁辐射被。检测器和放大器用来检测和放大共据信号·记 录仪将共振信号绘制成共振图游，核磁共振(N服)游线是描述在不同电磁波频率下的核磁 共振吸牧情况。 0年代初就有了连续被核磁共振谱仪，但早期磁共振的运用受限于其低灵敏度，它周 要非常浓的样品。到了6O年代出现了账冲博里叶(Four1T)变换NWR技术(PFT-搬)和 磁场超导化技术，以及其它许多新的实验方法。 1966年，瑞士的化学家恩斯特(Richard Ernst)的研究显示，若改变过去改变扫指频 率的做法，而以一个短而强的无线电波脉冲能于样品，则可以大幅提升其灵敏度。他的黄献 也包括了在70年代所发展的方法，能决定在一个分子中每一个核的相邻：关系，因此通过磁 共振光讲的判读就可以推导出该分子的结构.恩所特因爱明了博立叶变换核磁共振分光法和 二排及多排的核磁共振技术而获得1991年度诺贝尔化学奖。脉冲博里叶核磁共据仪的出现 使C核磁共的研究符以远速开展。 Ⅱ前研究得最多的是'H的核聪共振，℃的核聪共银近年也有较大的发脱。'H的核磁 共报称为质磁共报(rotoaetic es6 eance),简称PW哪，也表示为'H-服。Bc核 碳共振(Carbon-l3 Nuclear Magnetic Resonance)?简称C吸，也表示为PC-NR 将数目相等的碳原子和氢原子放在外磁场强度、置度都相同的同一核延共振仪中测定， 碳的核破共振信号只有氢的1/000。这说明不同原子核在同一循场中按检出的灵敏度差别 根大，检测”C比检测H在技术上有更多的因难。 4、H的核磁共振饱和与驰度 在外题场的作用下，H核倾向于与外随场取顺向的特列，所以处于低能志的枝数目比 处于高能态的核数目多，但由于两个能级之间能差根小，前者比后者贝占微羽的优势。 'H-X服的信号正是依靠这线微霜过到的低能方枝。吸收射频电磁波的银射能跃迁到高能缓 面产生的。高能态的核无法返回到低能态，随着跃迁的不断进行，这种微弱的优势将进一步
频率的能量，同时跃迁到较高的磁场亚层中。通过测定原子束在频率逐渐变化的磁场中的强 度，就可测定原子核吸收频率的大小。 目前使用的核磁共振仪有连续波（CN）及脉冲傅里叶（PFT）变换两种形式。连续波核 磁共振仪主要由磁铁、射频发射器、检测器和放大器、记录仪等组成。磁铁用来产生磁场， 射频发射器用来产生固定频率的电磁辐射波。检测器和放大器用来检测和放大共振信号。记 录仪将共振信号绘制成共振图谱。核磁共振（NMR）谱就是描述在不同电磁波频率下的核磁 共振吸收情况。 50 年代初就有了连续波核磁共振谱仪，但早期磁共振的运用受限于其低灵敏度，它需 要非常浓的样品。到了 60 年代出现了脉冲傅里叶（Fourier）变换 NMR 技术（PFT-NMR）和 磁场超导化技术，以及其它许多新的实验方法。 1966 年，瑞士的化学家恩斯特（Richard Ernst）的研究显示，若改变过去改变扫描频 率的做法，而以一个短而强的无线电波脉冲施于样品，则可以大幅提升其灵敏度。他的贡献 也包括了在 70 年代所发展的方法，能决定在一个分子中每一个核的相邻关系，因此透过磁 共振光谱的判读就可以推导出该分子的结构。恩斯特因发明了傅立叶变换核磁共振分光法和 二维及多维的核磁共振技术而获得 1991 年度诺贝尔化学奖。脉冲傅里叶核磁共振仪的出现 使 核磁共振的研究得以迅速开展。 目前研究得最多的是 的核磁共振， 的核磁共振近年也有较大的发展。 的核磁 共振称为质磁共振（Proton Magnetic Resonance），简称 PMR，也表示为 -NMR。 核 磁共振（Carbon-13 Nuclear Magnetic Resonance）简称 CMR，也表示为 -NMR。 将数目相等的碳原子和氢原子放在外磁场强度、温度都相同的同一核磁共振仪中测定， 碳的核磁共振信号只有氢的 1/6000。 这说明不同原子核在同一磁场中被检出的灵敏度差别 很大，检测 比检测 在技术上有更多的困难。 4、 的核磁共振 饱和与驰豫 在外磁场的作用下， 核倾向于与外磁场取顺向的排列，所以处于低能态的核数目比 处于高能态的核数目多，但由于两个能级之间能差很小，前者比后者只占微弱的优势。 -NMR 的信号正是依靠这些微弱过剩的低能态核，吸收射频电磁波的辐射能跃迁到高能级 而产生的。高能态的核无法返回到低能态，随着跃迁的不断进行，这种微弱的优势将进一步
诚蜀直至清失，此时处于低能态的H核数目与处于高能态H核数目相等。与此月步， 'H-贩的信号也会逐渐减弼直至最后消失。上述这种现象移为德和。 但是H核可以通过非轴射的方式从高能态转变为低能态，这种过程称为地豫，因此， 在正常情况下不会出呢饱和观象。跑豫的方式有两种，一种是处于高能态的核通过交变磁场 将能量转移给周围的分子（即释成能量），本身返回低能态，这个过程称为自旋品格弛豫。 其速率用/表示，称为自晓品格跳豫时间。自旋品格然豫降低了巡性枝的总体能最。 又称为纵向勉橡。另一种是两个处在一定距离内，进动顿率相同、进动取向不同的核互相作 用，交族能最。改变进动方向的过程称为自旋-自旋独豫。其速率用1/乃表示，了称为自 能一白能油豫时间。白旋一自旋独豫未降低磁性枝的总体能量，又称为横向池豫。 二、核磁共振技术 核磁共振技术早期仅限于解子核的磁矩、和自旋的测量，随后则棱广泛地用于确定分子 结构、以及对生物在组织与活体组织的分析、病理分析、医疗诊断、产品无损检测等。核磁 共振技术还可以用来观测一些动态过程（如生化过程，化学过程等）的变化，从技术手段上 讲，核磁共振的应用主要有两个方面：核磁共振被进应用和核磁共据成檬的应用。 所谓核磁共振波谱，实际上是吸收率《纵坐标)对化学位移（横坐标）的关系由线。因 为实际过程中，作用在核繼矩（主要研究的常常是质子的槛矩）上的繼场，除了外繼场外， 还受到核外周围电子产生的碱场的影响。干是，在同样的外部条作下，位于不同分子中的核， 成虽在同一分子中，但位于不同化学集团的核，其共振频率都与由(8)式计算出的理论植 有不同程度的微小偏移。由干这种偏移与核所处的化学环境有关，因而称之为化学位移。若 是扫场法，则表现为共振时的磁场不同。当然。这种由于化学环境不同而明起的核愁共振频 率的偏移量是根微小的。如对H核而言，这种偏移量仅为百万分之十。但正是因为有这一 微小差异，即可由核磁共振波潜我得分子结构的某些信息，如核外电子云的分布等。 核磁共振成像是从核磁共振波谱进一步发展起米的先进技术，目前己有多种核磁共振成 像方法。如质子密度成像、授影重建成像、弟障时间成像、化学位移成像等等。这里简要介 绍点成像法和独豫时间成像法。 点成像法： 已知发生核磁共的颜率条件为0=y冯，现在一个均匀腿场上叠加一个与空间位置有
减弱直至消失，此时处于低能态的 核数目与处于高能态 核数目相等，与此同步， -NMR 的信号也会逐渐减弱直至最后消失。上述这种现象称为饱和。 但是 核可以通过非辐射的方式从高能态转变为低能态，这种过程称为弛豫，因此， 在正常情况下不会出现饱和现象。弛豫的方式有两种，一种是处于高能态的核通过交变磁场 将能量转移给周围的分子（即释放能量），本身返回低能态，这个过程称为自旋晶格弛豫。 其速率用 1/ 表示， 称为自旋晶格弛豫时间。自旋晶格弛豫降低了磁性核的总体能量， 又称为纵向弛豫。另一种是两个处在一定距离内，进动频率相同、进动取向不同的核互相作 用，交换能量，改变进动方向的过程称为自旋-自旋弛豫。其速率用 1/ 表示， 称为自 旋-自旋弛豫时间。自旋-自旋弛豫未降低磁性核的总体能量，又称为横向弛豫。 二、核磁共振技术 核磁共振技术早期仅限于原子核的磁矩、和自旋的测量，随后则被广泛地用于确定分子 结构、以及对生物在组织与活体组织的分析、病理分析、医疗诊断、产品无损检测等。核磁 共振技术还可以用来观测一些动态过程（如生化过程、化学过程等）的变化。从技术手段上 讲，核磁共振的应用主要有两个方面：核磁共振波谱应用和核磁共振成像的应用。 所谓核磁共振波谱，实际上是吸收率（纵坐标）对化学位移（横坐标）的关系曲线。因 为实际过程中，作用在核磁矩（主要研究的常常是质子的磁矩）上的磁场，除了外磁场 外， 还受到核外周围电子产生的磁场的影响。于是，在同样的外部条件下，位于不同分子中的核， 或虽在同一分子中，但位于不同化学集团的核，其共振频率都与由（8）式计算出的理论值 有不同程度的微小偏移。由于这种偏移与核所处的化学环境有关，因而称之为化学位移。若 是扫场法，则表现为共振时的磁场不同。当然，这种由于化学环境不同而引起的核磁共振频 率的偏移量是很微小的。如对 核而言，这种偏移量仅为百万分之十。但正是因为有这一 微小差异，即可由核磁共振波谱获得分子结构的某些信息，如核外电子云的分布等。 核磁共振成像是从核磁共振波谱进一步发展起来的先进技术。目前已有多种核磁共振成 像方法，如质子密度成像、投影重建成像、弛豫时间成像、化学位移成像等等。这里简要介 绍点成像法和弛豫时间成像法。 点成像法： 已知发生核磁共振的频率条件为 。现在一个均匀磁场上叠加一个与空间位置有
关的梯度砸场。这样，空间各点的延场不同，因而共振频率也有所不月。于是共振频率与样 品的空间分布有关，这就是核磁共根成像的最初考虑。如果在x,y。x三个方向上分别加以 梯度慧场，则可得到相应于三维空间点（位置坐标为无y:》的共振频率：再经过傅里叶 变换，计算机处理等技术手段，藏可以把频规的信息转换为样品空间分布「（无，y,?)的 信息。当以图形的形式表示这种信息时，就得到样品的核聪共振成像， 边像时问成像法 介质中大量质子磁矩在外磁场作用下达到稳定平衡：若受到扰动会偏移平衡，但可以自 动地恢复平衡。族复平衡可以通过两种不同步露：第一步，通过质子与质子之间的作用先达 到平衡，这件恢复平衡所需要的时何称为白资一自成驰豫时何。第二步是整个质子磁矩与 周围环境作用面恢复平衡，这种恢复平衡所需的时饲称为自资-品格站橡时问。不管跑障 时间是还是5，它们都与特质的结构、物质内部的相互作用有关.。物质的结构和相互作 用变化，必将引起地隆时间的变化，得到的核磁共服信号的强蜀胞就随之变化了。例如，人 们发现水中的氢和脂防及其它大分子中的氢的泡豫时间相差很大，由于不同组织所含的水的 分量不同，通过测量驰豫时间就挂把它们区分开米。 三，核烟共振成像技术的应用及发展 核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的，而原子的主要部分 是原子核。如果把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，然后分析它释故的电磁波就 可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内都的精确立体图像： 虽然早在四十年代美国哈佛大学的柏事尔《Edward.M.Purcel1)和斯坦福大学的布洛克 (Fe1ix.B1ch)就发现了核磁共根现象，但在随后的0年间，这种方法主要被应用来研究 物质的化学结构。而美国科学家保罗·劳特怕(Paul C.Lauterbur)和英国科学家被得·曼斯 菲尔德(Peter Mansfield)于上世纪七十年代则把它应用于成像技术领城，核磁共振成像 技术使得生理学和医学影像学发生了巨大变革 核磁共振成像(N吸成像)在医疗诊断上的应用，其中最常用的是平面成像。即获取 样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成像。也就是常说的核磁共振 C行(Coaputed Top0 graphy)。就人体而言，体内的大都分(7路)物质挥是水，而且不同组 织中水的含量也不月。核磁共振成像技术的基本原理是将人体置于特殊的磁场中，用无线电 射频账冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振。并吸收能量，在停止射频脉冲后。氢即 子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，按体外的接受器收录，经计算机
关的梯度磁场。这样，空间各点的磁场不同，因而共振频率也有所不同，于是共振频率与样 品的空间分布有关，这就是核磁共振成像的最初考虑。如果在 x，y，z 三个方向上分别加以 梯度磁场，则可得到相应于三维空间点（位置坐标为 x，y，z）的共振频率；再经过傅里叶 变换、计算机处理等技术手段，就可以把频域的信息转换为样品空间分布 f（x, y, z）的 信息。当以图形的形式表示这种信息时，就得到样品的核磁共振成像。 弛豫时间成像法： 介质中大量质子磁矩在外磁场作用下达到稳定平衡；若受到扰动会偏移平衡，但可以自 动地恢复平衡。恢复平衡可以通过两种不同步骤：第一步，通过质子与质子之间的作用先达 到平衡，这种恢复平衡所需要的时间称为自旋-自旋弛豫时间 。第二步是整个质子磁矩与 周围环境作用而恢复平衡，这种恢复平衡所需的时间称为自旋-晶格弛豫时间 。不管弛豫 时间是 还是 ，它们都与物质的结构、物质内部的相互作用有关。物质的结构和相互作 用变化，必将引起弛豫时间的变化，得到的核磁共振信号的强弱也就随之变化了。例如，人 们发现水中的氢和脂肪及其它大分子中的氢的弛豫时间相差很大。由于不同组织所含的水的 分量不同，通过测量驰豫时间就能把它们区分开来。 三、核磁共振成像技术的应用及发展 核磁共振现象为成像技术提供了一种新思路。物质是由原子组成的，而原子的主要部分 是原子核。如果把物体放置在磁场中，用适当的电磁波照射它，然后分析它释放的电磁波就 可以得知构成这一物体的原子核的位置和种类，据此可以绘制成物体内部的精确立体图像。 虽然早在四十年代美国哈佛大学的柏塞尔（Edward.M.Purcell）和斯坦福大学的布洛克 （Felix.Bloch）就发现了核磁共振现象，但在随后的 20 年间，这种方法主要被应用来研究 物质的化学结构。而美国科学家保罗•劳特伯（Paul C.Lauterbur）和英国科学家彼得•曼斯 菲尔德（Peter Mansfield）于上世纪七十年代则把它应用于成像技术领域，核磁共振成像 技术使得生理学和医学影像学发生了巨大变革。 核磁共振成像（NMR 成像）在医疗诊断上的应用，其中最常用的是平面成像。即获取 样品平面（断面）上的分布信息，称作核磁共振计算机断层成像，也就是常说的核磁共振 CT（Computed Topography）。就人体而言，体内的大部分（75%）物质都是水，而且不同组 织中水的含量也不同。核磁共振成像技术的基本原理是将人体置于特殊的磁场中，用无线电 射频脉冲激发人体内氢原子核，引起氢原子核共振，并吸收能量。在停止射频脉冲后，氢原 子核按特定频率发出射电信号，并将吸收的能量释放出来，被体外的接受器收录，经计算机
处理后获得人体生物姐织中含水量分制的图像，这实际上就是质子密度分布的图像，当体内 遗受某种疾病时，其含水量分布流会发生变化，利用氢核的核磁共振藏能诊断出来， 使核磁共振成像技术成为现实的一个决定性因素是处理大量而复杂的成像计算所必需 的高速计算机（即计算能力》，除此外，还有其它三个领域的研究成果也为核磁共振成像技 术的起生翼定了基础 第一项技术是英国电子工程师豪斯菲尔德(Godfrey Bounsfield)的研究成果。他在 1971年制造了一种将X光机和电脑结合起来的仪器，并利用某线代数复制的原理从多个角 度对人体进行扫猫，从面创造出一种内部结构的制面图效果。面南非的楼物理学家科马克 (A11anC0ck)也公开发表过月样的设想。他使用的是一种被称为Radoe转换的复制技 术。199年他同章撕菲尔德一起由于在计算机化x射线断面成像(X-CT)技术氧域的杰出 贡献面共享了诺贝尔生理医学奖。T技术的基本原理是银多在今天使用的成熟成像方法的 基础。 此外对核磁共根成像至关重要的另两项研究成果阿核磁共履相关，其中一项是将核磁共 叛技术作为医学检测工具的概念化：另一个是从核磁共振数据中获得有效图檬的可行方法的 发明。 早在19龄年，加州大学的辛格(，R,Ser)就曹建议。核磁共振技术可以被用作医 学方面的检测工具，然后在1969年，在纽约的物理学家雷蒙德·达马迪安(Raymond Damdian) 开始设法使用核磁共影技术来探查人体内部的瘤症早期的征兆，然而到世纪70年代初期。 核磁共叛成像技术研究才取得了突破。而让以人体活性组织产生的核磁共振信号制成有效的 图像成为可能的是美国的保罗·劳特的(Paul C.Lauterbur)和英国的俊得·曼斯罩尔德 (Peter Manstield). 1971年，美国科学家劳特自开始研究一种使用核共叛技术制图的方法。1973年，他发 联把物体放置在一个稳定的主磁场中，后再加上一个不均匀的磁场《即有梯度的碱场》， 再用适当的电磁波飄射这一物体（逐点诱发核磁共搬无线电波），这样根据物体释放出的电 磁波就可以绘制获得一幅物体某个截面的二维的核磁共耀图像。到1974年，他已经可以使 用大型核磁共银成像设备对活老鼠的胸腔进行成像了
处理后获得人体生物组织中含水量分布的图像，这实际上就是质子密度分布的图像。当体内 遭受某种疾病时，其含水量分布就会发生变化，利用氢核的核磁共振就能诊断出来。 使核磁共振成像技术成为现实的一个决定性因素是处理大量而复杂的成像计算所必需 的高速计算机（即计算能力）。除此外，还有其它三个领域的研究成果也为核磁共振成像技 术的诞生奠定了基础。 第一项技术是英国电子工程师豪斯菲尔德（Godfrey Hounsfield）的研究成果。他在 1971 年制造了一种将 X 光机和电脑结合起来的仪器，并利用某些代数复制的原理从多个角 度对人体进行扫描，从而创造出一种内部结构的剖面图效果。而南非的核物理学家科马克 （Allan Cormack）也公开发表过同样的设想。他使用的是一种被称为 Radon 转换的复制技 术。1979 年他同豪斯菲尔德一起由于在计算机化 X 射线断面成像（X-CT）技术领域的杰出 贡献而共享了诺贝尔生理医学奖。CT 技术的基本原理是很多在今天使用的成熟成像方法的 基础。 此外对核磁共振成像至关重要的另两项研究成果同核磁共振相关。其中一项是将核磁共 振技术作为医学检测工具的概念化；另一个是从核磁共振数据中获得有效图像的可行方法的 发明。 早在 1959 年，加州大学的辛格（J.R.Singer）就曾建议，核磁共振技术可以被用作医 学方面的检测工具。然后在1969年，在纽约的物理学家雷蒙德•达马迪安（Raymond Damadian） 开始设法使用核磁共振技术来探查人体内部的癌症早期的征兆。然而到20世纪70年代初期， 核磁共振成像技术研究才取得了突破。而让以人体活性组织产生的核磁共振信号制成有效的 图像成为可能的是美国的保罗•劳特伯（Paul C.Lauterbur）和英国的彼得•曼斯菲尔德 （Peter Mansfield）。 1971 年，美国科学家劳特伯开始研究一种使用核磁共振技术制图的方法。1973 年，他发 现把物体放置在一个稳定的主磁场中，然后再加上一个不均匀的磁场（即有梯度的磁场）， 再用适当的电磁波照射这一物体（逐点诱发核磁共振无线电波），这样根据物体释放出的电 磁波就可以绘制获得一幅物体某个截面的二维的核磁共振图像。到 1974 年，他已经可以使 用大型核磁共振成像设备对活老鼠的胸腔进行成像了
P.C劳特伯P+曼断菲尔德 而在大西洋另一瑞。英格兰诺丁汉大学的曼斯菲尔德也在进行类似的工作。在1973年 公布的研究结果中，曼斯菲尔德和他的饮件也使用了磁场偏差的方案。他速一步开拓了磁场 梯度的应用，利用做场中的梯度更为精确地显示出共振中的差异。并在1976年发现通过极 其快速的梯度变化可以获得转解即适的图像，曼斯菲尔德开发出一种快速扫描核磁共振成象 技术（即回凌平面成像技术，又称为平面反射被扫描），以不均匀磁场的快速变化使上述方 法能更快地绘制成物体内部结构图像。这种技术在几微秒内便可扫描整个大精。此外，他还 正明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据。即如何有效而迅速地分析探测到的信号， 并且把它们转化成图像。为利用计算机快速绘制图像莫定了基础。曼斯革尔德的研究是这种 技术转化为应用成果的关键一步。 在这两位科学家研究成果的基础上，92年，第一台医用核磁共振成像仪问世，核醒 共振成像技术从美国开始正式应用于临床医学，并迷渐成为最先进的医学诊断手段之一。与 此前的人体组织成像诊斯手段X光和XCT(X射线计算机断层扫描成像)相比，核磁共振成 像具有两个特别大的优点：一是没有对人体有害的辐射(X射线穿通人体成像对人体有害是 人所共知的，而核磁共振成像则是将检查对象置于均匀的函磁场中，人体在磁场作用中不会 受到伤害)：二是能够对多种病变进行早期诊斯。病变首先影响人体组织的化学变化，到一 定程度才会明起形志变化，如果发现形志变化说明病变己经发展到一定程度了，即使是同样 获得诺贝尔生理学医学奖殊荣的【CT技术也只能检查出人体组织的形态变化。而核磁共据 成像则能反映人体组织内的化学变化，后来，为了道免人们把这种技术误解为核技术，一些 科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称其为“磁共振成像技术”，英文缩写即耀I
P. C 劳特伯 P•曼斯菲尔德 而在大西洋另一端，英格兰诺丁汉大学的曼斯菲尔德也在进行类似的工作。在 1973 年 公布的研究结果中，曼斯菲尔德和他的伙伴也使用了磁场偏差的方案。他进一步开拓了磁场 梯度的应用，利用磁场中的梯度更为精确地显示出共振中的差异。并在 1976 年发现通过极 其快速的梯度变化可以获得转瞬即逝的图像。曼斯菲尔德开发出一种快速扫描核磁共振成象 技术（即回波平面成像技术，又称为平面反射波扫描），以不均匀磁场的快速变化使上述方 法能更快地绘制成物体内部结构图像。这种技术在几微秒内便可扫描整个大脑。此外，他还 证明了可以用数学方法分析这种方法获得的数据，即如何有效而迅速地分析探测到的信号， 并且把它们转化成图像。为利用计算机快速绘制图像奠定了基础。曼斯菲尔德的研究是这种 技术转化为应用成果的关键一步。 在这两位科学家研究成果的基础上，1982 年，第一台医用核磁共振成像仪问世，核磁 共振成像技术从美国开始正式应用于临床医学，并逐渐成为最先进的医学诊断手段之一。与 此前的人体组织成像诊断手段 X 光和 X-CT（X 射线计算机断层扫描成像）相比，核磁共振成 像具有两个特别大的优点：一是没有对人体有害的辐射（X 射线穿透人体成像对人体有害是 人所共知的，而核磁共振成像则是将检查对象置于均匀的强磁场中，人体在磁场作用中不会 受到伤害）；二是能够对多种病变进行早期诊断。病变首先影响人体组织的化学变化，到一 定程度才会引起形态变化，如果发现形态变化说明病变已经发展到一定程度了，即使是同样 获得诺贝尔生理学医学奖殊荣的 X-CT 技术也只能检查出人体组织的形态变化。而核磁共振 成像则能反映人体组织内的化学变化。后来，为了避免人们把这种技术误解为核技术，一些 科学家把核磁共振成像技术的“核”字去掉，称其为“磁共振成像技术”，英文缩写即 MRI
正常 肿瘤 图3核磁共振获得的脑截面图像 目前，全量界共有两万多台核磁共振成像仪在使用中，每年有超过六千万次人次使用该 技术进行诊新，今天，高速计算机的开发和超导磁铁的应用使核磁共振成像设备提供具体的 解剂结构图像成为可能，这些功能使核磁共根成像设备成为一种在现代医学中前途无量的检 测仪墨。 核磁共振成像技术第二个成功的应用是“石油测井”，核磁测井能提供更准确的销层参 数，直观定性地识别孔限中流体的性顺，识别气，油层。 借助楼磁共振成像技术，人们首次“看”到了活体动物细胞的基因表达，即以核磁共耀 成像技术暴示的青妹胚胎细胞的发有过程和细胞与细胞的信号传导的图像。 中国地质大学核磁共振科研组将地面核盈共振测深(S)方法直接应用于秦泉陵考古， 查明了秦皇陵地宫封土堆下的含水层分布情况，为推断地宫的完好性提供了置要依据， 美国料学家在最近的英国《自然》杂志上报告说。他们首次利用核腿共振成像技术，观 测到单个电子的具体位置，这一突破实现了核磁共振的原子级成像，将使未米的显微镜可以 在纳米尺度上观察到分子内部立体的结构图像。使核磁共振成像技术的舞别率达到纳米尺 度，将目前观察人体器官用的医疗核磁共振成像设备的精度提高了约一千万信。 目前，超导技术和计算机的进步使得核慰共振成像更快更请渐。今后，核磁共藏成像技 术也仍然要在“快”和“清晰”这两个方面去做遗一步的所究和提高。 2001年，为表衫美国科学家保罗·劳特怕和英国料学家搜得·曼斯菲尔德在核磁共影成 像技术领域的突酸性成就，瑞典卡罗林斯卡医学院决定，把03年的诺贝尔生理学与医学 奖授予触们。获奖后，曼斯罩尔德对瑞典电台说：“我想每个科学家都希望有一天，他们可 以被挑选出米获得这样一个荣誉。但我必须承认，就个人而言，儿年前我就很想得到它了， 但总是擦肩面过。“ (米源：中国科学院网)
图 3 核磁共振获得的脑截面图像 目前，全世界共有两万多台核磁共振成像仪在使用中，每年有超过六千万次人次使用该 技术进行诊断。今天，高速计算机的开发和超导磁铁的应用使核磁共振成像设备提供具体的 解剖结构图像成为可能，这些功能使核磁共振成像设备成为一种在现代医学中前途无量的检 测仪器。 核磁共振成像技术第二个成功的应用是“石油测井”。核磁测井能提供更准确的储层参 数，直观定性地识别孔隙中流体的性质，识别气、油层。 借助核磁共振成像技术，人们首次“看”到了活体动物细胞的基因表达，即以核磁共振 成像技术显示的青蛙胚胎细胞的发育过程和细胞与细胞间的信号传导的图像。 中国地质大学核磁共振科研组将地面核磁共振测深（MRS）方法直接应用于秦皇陵考古， 查明了秦皇陵地宫封土堆下的含水层分布情况，为推断地宫的完好性提供了重要依据。 美国科学家在最近的英国《自然》杂志上报告说，他们首次利用核磁共振成像技术，观 测到单个电子的具体位置。这一突破实现了核磁共振的原子级成像，将使未来的显微镜可以 在纳米尺度上观察到分子内部立体的结构图像。使核磁共振成像技术的辨别率达到纳米尺 度，将目前观察人体器官用的医疗核磁共振成像设备的精度提高了约一千万倍。 目前，超导技术和计算机的进步使得核磁共振成像更快更清晰。今后，核磁共振成像技 术也仍然要在 “快”和“清晰”这两个方面去做进一步的研究和提高。 2004 年，为表彰美国科学家保罗•劳特伯和英国科学家彼得•曼斯菲尔德在核磁共振成 像技术领域的突破性成就，瑞典卡罗林斯卡医学院决定，把 2003 年的诺贝尔生理学与医学 奖授予他们。获奖后，曼斯菲尔德对瑞典电台说：“我想每个科学家都希望有一天，他们可 以被挑选出来获得这样一个荣誉。但我必须承认，就个人而言，几年前我就很想得到它了， 但总是擦肩而过。” （来源：中国科学院网）